Ozeanbeobachtungen

In der Seefahrt haben sich Menschen die Meeresströmungen schon vor Jahrhunderten zu Nutze gemacht. Erste Karten und Vermessungen des Golfstroms gehen auf den amerikanischen Wissenschaftler Benjamin Franklin zurück. Er löste damit 1769 das Problem der Post der amerikanischen Kolonien, dass Schiffe auf dem Weg von Europa nach Nordamerika mehrere Wochen länger brauchten als in die andere Richtung. Franklin diskutierte das Problem mit seinem Cousin Timothy Folger, der als Schiffskapitän und Walfänger viel Erfahrung mit der Meeresströmung gemacht hatte. Zusammen zeichneten sie die erste Seekarte des Golfstroms und verteilten sie an britische Postschiffe.

Als Navigationshilfe hat Franklin auf zwei Transatlantik-Überquerungen 1775 und 1776 Temperaturmessungen durchgeführt, und entdeckte dass der Golfstrom wärmer ist als das Seewasser auf beiden Seiten der Strömung. Zu dieser Zeit wurden Strömungsgeschwindigkeiten durch Beobachtungen der Entfernungsrate von Schiffen am Rand und innerhalb der Strömung bestimmt.  

Durch moderne Technik gibt es heutzutage viele Möglichkeiten Meeresströmungen zu beobachten. Messungen vom Schiff aus spielen dabei immer noch eine große Rolle, je nach Messregion gibt es aber zum Teil Grenzen in der Zugänglichkeit wie z. B. in der Arktis oder Antarktis im Winter. Schiffsmessungen werden ergänzt durch verankerte Messgeräte, die eine kontinuierliche Datenaufzeichnung ermöglichen, autonome Drifter, Satellitenmessungen, sowie Sensoren die von marinen Säugetieren getragen werden.
Infos, wie RACE-Teilprojekte den Atlantik beobachten, hier: TP1.1TP1.2TP1.3TP2.1TP2.2

Oben: Eine der ersten Karten des Golfstroms von Benjamin Franklin (Quelle: Library of Congress).
Unten: Satellitenbild der Meeresoberflächentemperaturen, der Golfstrom zeichnet sich als wärmstes Wasser (Rot- und Organgetöne) gegen seine Umgebung ab (Bild: Otis Brown, RSMAS – University of Miami).

Schiffsmessungen

Während einer Forschungsseereise werden die Meeresströmungen auf ausgewählten Querschnitten vermessen. Die dabei erhobenen Daten sind Strömungsgeschwindigkeit und Wassereigenschaften wie Temperatur, Salzgehalt, Sauerstoffgehalt sowie andere Gase und Nährstoffe. Dazu hält das Forschungsschiff an verschiedenen Punkten des Querschnitts, und Messgeräte sowie Wasserprobenbehälter werden an einem Gestell von der Meeresoberfläche bis zum Meeresgrund herunter gelassen, sodass ein Profil der gesamten Wassersäule gemessen wird. Die Wasserprobenbehälter werden in gewünschten Tiefen geschlossen, anschließend werden an Deck Proben entnommen. Profile werden meist im Abstand von einigen Kilometern gemessen, die Querschnitte werden ein- bis mehrmals jährlich abgefahren. Durch diese Messungen kann ein großräumiges Bild der Meeresströmungen gewonnen werden (mehr Infos hier).

Messung eines Tiefenprofils. (Bild: L. Sanguineti, Universität Bremen)
Die Messgeräte werden ins Wasser gebracht. (Bild: L. Sanguineti, Universität Bremen)
Oben: Strömungsquerschnitts-Messungen im Atlantik. Rot: Nordwärtige Strömung, blau: südwärtige Strömung. Die Strömungen in Oberflächennähe sind stärker als in der Tiefsee.
Unten: Salzgehaltsmessungen im Atlantik. Zu sehen sind nahe der Oberfläche salzarmes Wasser polaren Ursprungs am kanadischen Schelf, und salzhaltiges Oberflächenwasser aus den Subtropen das vom Nordatlantikstrom mitgeführt wird weiter östlich. (Bild: IUP, Universität Bremen)

Strömungsgeschwindigkeiten werden durch akustische Messungen mit sogenannten Akustischen Doppler Profilstrommessern bestimmt. Diese Geräte messen die Geschwindigkeit durch den physikalischen Dopplereffekt: Wenn sich eine Schallquelle im Verhältnis zum Hörer bewegt, ändert sich die Tonhöhe (=Frequenz), die vom Hörer wahrgenommen wird: Bewegt sich die Quelle auf den Hörer zu, wird der Ton höher, bewegt sie sich weg, wird er tiefer. Ein Strömungsmessgerät sendet ein Schallsignal aus, dass an kleinen Partikeln (z.B. Plankton) reflektiert wird, die passiv mit der Strömung treiben. Aus der Frequenzverschiebung des zurückkommenden Signals wird die Geschwindigkeit der Strömung bestimmt, aus der Laufzeit die Entfernung zum Gerät. Manche Forschungsschiffe haben im Schiffsrumpf montierte akustische Strömungsmessgeräte, mit denen Messungen der Oberflächenströmung bis maximal 1000 m Tiefe während der Fahrt aufgezeichnet werden.

Verankerungen

Um Strömungen kontinuierlich über einen langen Zeitraum zu beobachten werden Messgeräte an Schlüsselstellen am Meeresboden verankert. Typische Messgeräte an Verankerungen sind Temperatur- und Salzgehaltsensoren, sowie Strömungsmessgeräte. Damit bestimmte Tiefen vermessen werden können sind die Geräte an einem Seil befestigt, dass mit einem Gewicht – dem Ankerstein – am Boden gehalten wird. Die Verankerung wird durch Auftriebskörper aufrecht in der Wassersäule gehalten. Die Auftriebskörper sorgen auch dafür, dass die Messgeräte bei der Bergung der Verankerung wieder zur Meeresoberfläche gelangen. Um die Geräte zu bergen wird vom Schiff aus ein akustisches Signal gesendet das einen Auslöser aktiviert, der direkt über dem Ankerstein das Seil freigibt. Nachdem die Geräte an die Oberfläche getrieben und vom Schiff aus eingesammelt worden sind, werden die aufgezeichneten Daten auf den Messgeräten direkt an Bord ausgelesen, und die Geräte werden überprüft und zur erneuten Verankerung fertig gemacht. Typischerweise werden Verankerungen einmal im Jahr zur Bergung angefahren. Da Verankerungen extremen Umwelteinflüssen wie beispielweise Korrosion im Meerwasser, enormen Drücken in der Tiefe, sowie Strömungen und Seegang ausgesetzt sind, müssen alle Verankerungskomponenten besonders widerstandsfähig sein.

Der Ankerstein aus gebrauchten Eisenbahnrädern hält die Verankerung an ihrem Platz. (Bild: IUP, Universität Bremen)
Die Messgeräte werden zusammen mit
Auftriebskugeln verankert, die dafür sorgen, dass die Verankerung aufrecht im Wasser steht. Auftriebskugeln sind häufig orange, damit man sie während einer Verankerungsbergung schnell entdecken kann. (Bild: IUP, Universität Bremen)
Ein akustischer Strömungsmesser, der die Strömungsgeschwindigkeit in einer Reichweite bis zu 600m misst. Vom Gerät sind nur der Schallgeber/Empfänger zu sehen, der Rest verbirgt sich in der großen Auftriebskugel aus Hartschaum. (Bild: IUP, Universität Bremen)
Ein invertiertes Bodenecholot (PIES) wird verankert. (Bild: IUP, Universität Bremen)

Verankerungen machen es möglich, Schwankungen in Strömung und Wassereigenschaften im Minutenbereich bis hin zu vielen Jahren bei Langzeitbeobachtungen zu detektieren. Ein weiteres Gerät dass am Meeresboden verankert wird, ist ein invertiertes Bodenecholot mit Drucksensor, ein sogenanntes PIES (engl. Pressure Inverted Echo Sounder). Ein PIES misst akustisch die Entfernung zur Oberfläche, daraus können die großräumigen Massentransporte der Strömungen bestimmt werden (mehr Infos hier).

Ein RACE – Verankerungssystem am kanadischen Schelf erfasst sowohl die kalte südwärtige Strömung (Westlicher Randstrom – blau), als auch den warmen nordwärts gerichteten Nordatlantikstrom (rot). Schwarze querlaufende Linien kennzeichnen verschiedene Wasserschichten. (Bild: IUP, Universität Bremen)

Argo Floats

Autonome Tiefendrifter, sogenannte Argo Floats sind Weiterentwicklungen der ortsgebundenen Sensoren von Verankerungen. Argo Floats können durch eine hydraulische Schwimmblase bis zu einer Tiefe von 2000m absinken, um dann zur Meeresoberfläche aufzusteigen und dabei mit Temperatur- und Salzgehaltsensoren ein Profil aufzeichnen. An der Oberfläche wird die Float-Position lokalisiert und die Daten an einen Satelliten gesendet. Nach der Datenübertragung driftet ein Float für 10 Tage mit der Strömung in einer Tiefe von 1000m, um anschließend den nächsten Messzyklus zu starten. Durch die Mobilität der Floats finden Messungen nicht mehr nur an einem Ort statt wie bei Verankerungen, sondern es können ganze Meeresgebiete vermessen werden.

Ein Argo Float an der Meeresoberfläche. (Bild: IUP, Universität Bremen)

Das Argo Float – Programm ist ein globales Beobachtungssystem der oberen 2000m der eisfreien Ozeanregionen. Dieses Beobachtungssystem besteht derzeit aus mehr als 3800 Argo Floats. Das Projekt ist eine multinationale Zusammenarbeit von 34 Ländern, die die Argo Floats aussetzten, überwachen und die Daten analysieren. Die Floats werden vom Schiff aus ausgesetzt, und können dann etwa vier Jahre lang Batterie-betrieben selbstständig Profile messen. Neue Missionen des Argo Float – Programms sind Floats, die bis 6000m Tiefe messen können sowie Floats, die mit weiteren Sensoren ausgestattet sind, z. B. zur Messung von Sauerstoff, dem pH-Wert, Nitrat und Chlorophyll.

Floats unterscheiden sich in ihren Antriebsystemen von Gleitern und Autonomen Unterwasserfahrzeugen (engl. Autonomus Underwater Vehicle – AUV). Während Floats passiv mit den Meeresströmungen treiben, können Gleiter und AUVs selbstständig durch die Ozeane fahren (mehr Infos hier).  

Satellitenmessungen

Durch Fernerkundung mit Satelliten können große Teile der Weltmeere in kurzer Zeit vermessen werden. Satelliten werden eigesetzt um die globale Ozeanzirkulation zu beobachten, um Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre zu untersuchen, um Ereignisse wie beispielsweise El Niño zu detektieren, und um Erkenntnisse über den Meeresspiegelanstieg und den Klimawandel zu erlangen. Dabei bleibt das Innere der Ozeane Satellitenmessungen allerdings verborgen, die Messungen sind auf die Meeresoberfläche beschränkt. Daten die mit Satelliten gewonnen werden sind Meeresoberflächentemperaturen, Meeresoberflächensalzgehalte, Meeresspiegelhöhe, Oberflächengeschwindigkeiten, Eisbedeckung, und die Ozeanfärbung, aus der z. B. der Chlorophyllgehalt und damit Phytoplanktonverteilungen abgeleitet werden können, die Grundlage der Nahrungsketten im Ozean sind.

Der Jason 3 Satellit der NASA überwacht den globalen Meeresspiegel, um Erkenntnisse über die Ozeanzirkulation und den Klimawandel zu gewinnen (Bildquelle: NASA).