Submesoskalige Dynamik
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Forschungsschwerpunkte & Projekte

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Die Abteilung "Submesoskalige Dynamik" arbeitet im Rahmen des Forschungs- und Finanzierungsprogrammes PACES II ("Polar Regions and Coasts in a Changing Earth System" - "Polarregionen und Küsten im sich verändernden globalen System") der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren.

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Submesoskalige Fronten verraten sich nur selten durch Algenbänder. -Bild: HZG-

Das Wasser in den Ozeanen bewegt sich auf vielfältigste Art und Weise. Zu beobachten sind unter anderem Wirbel, welche meist entstehen, wenn Wasser unterschiedlicher Temperaturen aufeinandertrifft. Auch "Fronten" entstehen: Hier ist Wasser unterschiedlicher Temperatur und Salzgehalts klar erkennbar voneinander getrennt.

Der Begriff “submesoskalige Strukturen” bezeichnet Wirbel und Fronten mit Größen zwischen etwa 100 m bis 10 km.

Die Wissenschaftler legen bei ihren Forschungen besonderes Augenmerk auf den Bereich der submesoskaligen Strukturen. Diese Strukturen erregen seit Kurzem die besondere Aufmerksamkeit der Ozeanforscher, da sie möglicherweise bei einigen sehr wichtigen Prozessen eine bedeutende Rolle spielen: Energietransport in den Ozeanen, Transport von Schwebstoffen durch unterschiedliche Wassertiefen und die Produktion von Biomasse durch Phytoplankton als Nährstoff.

Die submesoskaligen Strukturen sind äußerst schwierig zu beobachten, da sich ihr Entstehungsort nicht vorhersagen lässt und sie so klein sind, dass sie mit Satellit und Radar schlecht erkannt werden. Sie haben zudem nur eine kurze Lebensdauer von Stunden bis zu wenigen Tagen. Zusätzlich bewegen sie sich mit der Strömung weiter, was ihre Verfolgung auf dem Wasser erschwert.

Das Auffinden und Beobachten dieser submesoskaligen Strukturen erfolgt daher neuerdings durch das Zusammenwirken mehrerer Beobachtungssysteme, die als Netzwerk in der Luft und auf dem Wasser die Wirbel und Fronten jagen:

Submesoscale

-Bild: HZG-

(1) Von einem Flugzeug oder Zeppelin aus erfolgt die Beobachtung der Wasseroberfläche mit hochsensiblen Infrarot-Kameras, Hyperspektral-Kameras und sehr genauem Beobachtungsradar. Diese liefern Informationen über die Temperatur und "Rauhigkeit" der Meeresoberfläche sowie Farbe des Wassers. Die Flugzeuge erkennen dadurch die Positionen der Wirbel und Fronten.

(2) Mittels dieser Ortsinformation werden Hochgeschwindigkeitsboote (ca. 70 km/h schnell) zum Wirbel geleitet.

(3) Nach Ankunft durchqueren diese Boote mit reduzierter Geschwindigkeit immer wieder diesen Wirbel. Sie schleppen dabei eine etwa 100 m lange Kette mit mehr als zehn Messinstrumenten hinter sich her. Diese messen die Temperaturen in der Tiefe und den Salz- und Sauerstoffgehalt des Wassers, die Dichte und weitere wichtige Messgrößen.Aus diesen Daten lassen sich später metergenaue räumliche Karten erstellen und die zeitliche Veränderung des Wirbels erfassen.

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Schnellboot im Einsatz. -Bild: HZG-

(4) Zusätzliche Boote kommen hinzu und vermessen weitere, teilweise sehr aufwendig zu bestimmende Größen wie Strömungsgeschwindigkeitsfelder, Rauigkeit der Wasseroberfläche oder dünne biologische Filme auf dem Wasser.

(5) Um die Messboote beim Wirbel zu halten, werden die Beobachtungen aus der Luft so lange fortgeführt und die Boote entsprechend geleitet, bis der Wirbel nicht mehr beobachtet werden kann.

Die beschriebene Methode wurde erstmals in einer Frühversion vor der Küste Kaliforniens eingesetzt und wird derzeit für einen Einsatz weiterentwickelt.
Die gewonnen Daten werden in theoretischen Ozeanmodelle eingespeist, um diese zu verbessern bzw. bestehende Lücken zu schließen.

HZG Research Ship "Ludwig Prandtl" at sea

Das Forschungsschiff "Ludwig Prandtl" auf Fahrt in der Nordsee. -Bild: HZG-

Im Rahmen von COSYNA werden drei- bis viermal im Jahr Messfahrten mit einem Forschungsschiff durch die Deutsche Bucht durchgeführt.

Zum Einsatz kommt eine geschleppte Sensorplattform namens Scanfish ® (ein sogenannter Schleppfisch). Der Scanfish ist mit einer Fülle von Messinstrumenten bestückt. Er dient vor allem der Beobachtung des Vorkommens von Phytoplankton in der Deutschen Bucht.

Da der Scanfish während des Schleppvorgangs wellenförmig auf- und abtaucht (unduliert), erhält man ein nahezu vollständiges Bild des Meeres in allen Tiefen.

Durch die Abdeckung eines bestimmten Gebiets während der Messfahrt kann die räumliche Lage des Phytoplanktons bestimmt werden. Aus der Kombination mit älteren Daten und Daten von Dauermesssystemen lassen sich Rückschlüsse auf die zeitliche Veränderung des Planktonvorkommens ziehen.
Dies wiederum ermöglicht Vorhersagen zum zukünftigen Vorkommen dieses Phytoplanktons. Der Scanfish ergänzt damit die Satelliten- und Radardaten aus COSYNA, welche technisch bedingt auf die Wasseroberfläche begrenzt bleiben.

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Windpark in der Nordsee. -Bild: HZG-

Windräder, die in großen Gruppen im küstennahen Meer stehen, werden Offshore-Windparks genannt. Sie werden im Rahmen des Umstiegs auf Erneuerbare Energien derzeitig stark ausgebaut.

Da sie möglicherweise einen maßgeblichen Einfluss auf ihre Meeresumwelt haben, sind sie Ziel wissenschaftlicher Untersuchungen.

Die Wissenschaftler untersuchen anhand von Messdaten aus Dauermesssystemen und mit Forschungsfahrten den Einfluss von Windparks vor allem auf Strömungen im Wattenmeer.

Ausgehend von etwaigen Änderungen dieser Strömungen sind veränderte Schwebstoff- und Energietransporte zwischen Schelfmeer und Wattenmeer vorstellbar. Dies hätte Auswirkungen auf die Nährstoff- und Schadstoffkonzentrationen im Wattenmeer, was wiederum langfristig Veränderungen im gesamten Ökosystem des Wattenmeers bewirken würde.

Das Alfred Wegner Institut (AWI) hat ein so genanntes Fischobservatorium im Wattenmeer installiert. Dieses identifiziert automatisch über akustische und optische Verfahren die Häufigkeit und Perioden des Auftretens von Fischbeständen.

Als Partner des AWI führt die Abteilung "Submesoskalige Dynamik" die Begleituntersuchungen über Nähstoffvorkommen und Temperaturverteilungen durch. Beides sind Messgrößen für die Planktonproduktion als Nahrungsgrundlage der Fischschwärme.

Ziel ist, die Wechselwirkungen zwischen physikalischen Messgrößen wie etwa Temperatur, Salzgehalt und Strömungen und biologischen Messgrößen wie Planktonkonzentrationen und Fischbeständen zu verstehen.