Forschung
Schematic overview of the Expedition Clockwork Ocean

Das Schaubild zeigt den koordinierten Meßeinsatz diverser Fahrzeuge in einem submesoskaligen Wirbel. -Bild: HZG-

Submesoskalige Prozesse

Die weltweiten Meeresströme werden von Wind, Sonneneinstrahlung, Tiden und dem Austausch mit der Atmosphäre angetrieben. Die globale Bedeutung dieser großkaligen Strukturen ist seit langem bekannt. Nun haben hochaufgelöste Simulationen gezeigt, dass in den Ozeanen und Küstengewässern eine ganze Bandbreite von Strukturen auf räumlich und zeitlich sehr unterschiedlichen Skalen vorherrscht.
In diesem Kontext haben submesoskalige Prozesse (10 m bis 10 km bei einer Lebensdauer von Stunden bis Tagen) die Aufmerksamkeit der Wissenschaft erregt. Ein Grund für diese Verschiebung des Fokus ist, dass es bedeutende Fortschritte in der Auflösung bei Beobachtungstechniken und Computersimulationen gibt, welche das Auffinden dieser submesoskaligen Strukturen überhaupt erst ermöglicht.

Die Expedition Uhrwerk Ozean -SubEx2016-


Image Zeppelin

Zeppelin NT über der Ostsee während der Expedition. -Bild: HZG-

Um die physikalischen submesoskaligen Prozesse und ihre Wechselwirkungen mit biogeochemischen Prozessen und Phytoplankton besser zu verstehen, hat der Bereich Operationelle Systeme ein einzigartiges Verfahren zur Beobachtung simultan von verschiedenen Plattformen in sehr hoher Auflösung entwickelt.

Die Expedition Uhrwerk Ozean im Juni 2016 in der Ostsee war ein großer Erfolg. Es gelang, einen submesoskaligen Wirbel von seiner Entstehung bis zu seinem Zerfall in unerreichter Auflösung zu beobachten.
Solche submesoskaligen Ereignisse haben eine sehr kurze Lebensdauer in der Größenordnung von 6-12 Stunden und messen oft nur wenige hundert Meter im Durchmesser. Die Expeditionseinsätze dauerten daher täglich rund 10 Stunden, in denen submesoskalige Ereignisse gefunden und dann vor ihrem Zerfall wiederholt durchmessen werden konnten.

Ein Motorsegler fungierte dabei als Scout. Er trug eine Infrarotkamera, um submesoskalige Strukturen anhand ihrer deutlichen Temperaturabstufungen an der Oberfläche aufzuspüren.
Darüberhinaus kam ein 75 Meter langer Zeppelin NT zum Einsatz. Er trug eine gekühlte Hochleistungs-Infrarotkamera sowie eine Hyperspektralkamera mit einem sehr empfindlichen Zeilensensor zur Beobachtung der Prozesse und physikalisch-biologischen Wechselwirkungen der submesoskaligen Struktur. Es war das erste mal, dass ein Zeppelin in der Meeresforschung eingesetzt wurde. Von ihm aus wurden auch die anderen Einheiten der Expedition über einen annähernden Echtzeit-Datenaustausch koordiniert. Dieser sehr schnelle Datenaustausch von Temperaturkarten vom Zeppelin zu den anderen Einheiten ist essentiell wichtig für das Ziel der hochauflösenden in-situ Vermessung derartiger Strukturen und der Verfolgung seiner Veränderungen.
Sowohl das HZG-Forschungsschiff Ludwig Prandtl, als auch das Forschungsschiff Elisabeth Mann Borgese, das Schnellboot Eddy, die Glider, autonome Unterwasserroboter und Drifter wurden eingesetzt, um sehr detaillierte in situ Beobachtungen zu erhalten.

Image Eddy and LP 02

Die HZG-Foschungsschiffe Ludwig Prandtl und Eddy vermessen eine submesoskalige Struktur während der Expedition Uhrwerk Ozean. -Bild: HZG-

Das Schnellboot Eddy wurde mit einer Winde, einer FerryBox, einem ADCP und einer Wetterstation ausgerüstet. Neben der Ludwig Prandtl diente es als Plattform für eine Schleppkette.
An dieser Eigenentwicklung des Bereichs Operationelle Systeme sind diverse Messsonden befestigt, die die gleichzeitigen Messungen in unterschiedlichen Tiefen bei hohem Tempo erlauben. Bis zu 20 CTDs (plus Chlorophyll- oder Sauerstoffsensoren) können damit auch von kleinen Fahrzeugen eingesetzt werden, die dann bei einem Tempo von bis zu 10 Knoten die Wassertiefe bis zu 45 Metern durchmessen. Eine Echtzeit-Datenübertragung aller Sensoren befindet sich in der Entwicklung.
Die Operationsfähigkeit der Glider wurde für Flachwassergebiete mit hohem Schiffsverkehr optimiert. Für kleinskalige Beobachtungen wurden sie zudem mit Turbulenz-Sensoren und einem ADCP ausgerüstet.
Es kamen zudem schiffsgestützte Radarmessungen hinzu, um Oberflächenströmungen, Wellen und Oberflächenstrukturen wie Fronten zu erkennen.

Erste Ergebnisse


Der Bereich Operationelle Systeme hat innerhalb des PACES II -Programms eine in räumlicher und zeitlicher Auflösung weltweit einmalige Beobachtungsfähigkeit für submesoskalige Strukturen und Ereignisse aufgebaut.

Image IR Submesoscale eddy

Ein submesoskaliger Wirbel mit einem Durchmesser von rund 200 Metern. Die hochaufgelöste Temperaturerkundung ermöglichte die erste vollständige Beobachtung eines Wirbels von der Entstehung bis zum Zerfall. -Bild: HZG-

Es ist nunmehr möglich, Prozesse mit einer räumlichen Auflösung von 1-5 Metern und einer zeitliche Auflösung von 5-20 Minuten in Gebieten der Größe von 10x10 km2 zu beobachten, oder alternativ Gebiete von 0,5x0,5 km2 mit der beispiellosen räumlichen Auflösung von <1m und zeitlichen Auflösung von <1s.

Die Beobachtungen zeigten starke frontale Temperaturstufen von etwa 1°C über 5m; vertikale Geschwindigkeiten von <1cm s-1; Rossby-Zahlen von 10-20; und mutmaßlich erstmals abseits der kalifornischen Küste eine hydraulische kontrollierte Strömung in einer Zweischichtenströmung, welche nicht direkt von der Topographie beeinflusst wurde und die Froud-Zahlen in der Größe 1 zeigt. Weitere Highlights sind die Beobachtung eines Wirbels über seine gesamte Lebenszeit, und dies zudem durch subsequentielle stationäre luftgestützte Messungen.

Image ROMS Model Baltic Sea

ROMS-Modell der Ostsee mit einer Auflösung von 100m. Hohe relative Wirbelstärken deuten auf submesoskalige Ereignisse hin. -Bild: HZG-

Die Beobachtungen zeigten starke Vermischungen innerhalb einiger Wirbel, was zu kurzen Lebensdauern von etwa 12 Stunden führte. Dies korrespondierte in einigen Wirbeln mit einem raschen Transport stark chlorophylhaltigen Wassers in oberflächennahe Wasserschichten, was ein Indiz für einen wichtigen Beitrag zum Kohlenstofftransport sein könnte.
Die starke Verbindung von physikalischen und biogeochemischen Prozessen wird durch Beobachtungen bestätigt, welche hohe Phytoplaktonkonzentrationen in unmittelbarer Nähe von Wirbeln und Fronten zeigen. Einzelne Wirbel wurden verfolgt, um erste Anhaltspunkte für die Zerstreuung ihrer kinetischen und potentiellen Energie während der gesamten Lebensdauer zu erhalten. Regional Ocean Modeling System (ROMS) -Modelle mit Auflösungen von 100 m und ein Large Eddy Simulation (LES) -Modell werden derzeitig zum Vergleich und der großskaligen Interpretation der Feldmessungen genutzt.

Weitere in-situ Beobachtungen werden als Teil des Helmholtz-Projekts MOSES 2019 vor den Kapverdischen Inseln und 2020 im Golfe du Lion vor der französischen Mittelmeerküste durchgeführt. Ziel ist die Beobachtung der Wechselwirkungen von submesoskaligen und mesoskaligen Strömungen (2019) und die Erforschung der Rolle von submesoskaligen Wirbeln bei Tief-Konvektions-Ereignissen (2020).


Merckelbach, L. (2016): Depth-averaged instantaneous currents in a tidally dominated shelf sea from glider observations, Biogeosciences, 13, 6637-6649, doi:10.5194/bg-13-6637-2016

Huang, W.,Carrasco, R., Shen, C., Gill, E.W., Horstmann, J., Surface Current Measurements Using X-Band Marine Radar With Vertical Polarization, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 54, no. 5, 2988-2997, 2016. doi:10.1109/TGRS.2015.2509781

Carrasco, R., Streßer, M., and Horstmann, J.: A simple method for retrieving significant wave height from Dopplerized X-band radar, Ocean Sci., 13, 95-103, 2017a, doi:10.5194/os-13-95-2017

Carrasco, R., Horstmann, J., Seemann, J.,Significant Wave Height Measured by Coherent X-Band Radar, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 55, no. 9, 5355-5365, 2017b,
doi:10.1109/TGRS.2017.2706067

Lund, B., Haus, B.K., Horstmann, J., Graber, H.C., Carrasco, R., e, Near-Surface Current Mapping by Shipboard Marine X-nd Radar: A Validation, Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, submitted 2017

Das Projekt Uhrwerk Ozean: Internet, Planetarium, Virtuelle Realität


Image Clockwork Ocean Small

Das Logo des Projekts Uhrwerk Ozean. -Bild: HZG-

Für mehr Informationen besuchen Sie die Webseite UHRWERK OZEAN.

Das preisgekrönte krossmediale Projekt Uhrwerk Ozean wurde zusammen mit der Öffentlichkeitsarbeit des HZG entwickelt. Ziel ist es, die Öffentlichkeit über unser hochrelevantes Forschungsgebiet wie auch über die einzigartigen Beobachtungsansätze in der Meeresforschung zu informieren.
Es wurde ein immersiver krossmedialer Ansatz gewählt, um das Publikum gleichsam direkt in die Expedition mitzunehmen und somit Faszination für wissenschaftliche Entdeckungen in einer immer noch weithin unbekannten Umgebung zu wecken.

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Szene aus dem vollanimierten Planetariumsfilm Uhrwerk Ozean. -Bild: HZG-

Das Projekt umfasst die Entwicklung eines mobilen Planetariums, von zwei Planetariumsfilmen, eines Virtual Reality (VR) Mediaplayers, den Einsatz von 360°-Filmen, VR-Brillen und einer sog. Parallaxe-Webseite.
Beide Planetariumsfilme sind Teil der regulären Programme verschiedener Planetarien, z.B. in Berlin, Hamburg, Kiel, oder Nürnberg. Der Film Uhrwerk Ozean erhielt den Preis "Special Award for Best in Science Visualisation" beim Fulldome Festival in Jena 2016.

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Die Mobile Kuppel: Das HZG-eigene Planetarium. -Bild: HZG-

Das mobile Planetarium ist ein Prototyp, gebaut für das HZG, und wird zur Wissenschaftskommunikation bei Veranstaltungen genutzt. Es misst 9,5m im Durchmesser und bietet Platz für 32 Zuschauer. Seine geneigte Leinwand und die sechs Projektoren ermöglichen ein begeisterndes immersives Erlebnis.

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Der schleswig-holsteinische Minister für Energie, Landwirtschaft, Umwelt, Natur und Digitalisierung Dr. Robert Habeck erlebt die VR. -Bild: HZG-

Die Kuppel wurde bereits bei verschiedenen Veranstaltungen wie dem Tag der Deutschen Einheit in Frankfurt/Main 2015, Dresden 2016 und Mainz 2017 eingesetzt. Sie war ebenfalls Teil der UN-Klimakonferenz COP23 in Bonn 2017, einer Veranstaltung in der Landesvertretung Schleswig-Holsteins beim Bund in Berlin 2016 und des Greenscreen-Festivals in Eckernförde 2015. Während dieser Veranstaltungen sahen im Schnitt 1200 Menschen am Tag den Film.

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Das Filmplakat zum Film Die Wirbeljagd. -Bild: HZG-

Die Expedition Uhrwerk Ozean selbst erhielt zudem außergewöhnliche Aufmerksamkeit. Während des Überführungsflugs des Zeppelins vom Bodensee nach Berlin erzeugte sowohl die Live-Internetbegleitung des WDR von Bord des Zeppelins als auch der Überflug über die Berliner Innenstadt viel Begeisterung, was sich u.a. an zwei Top-Ten-Twitter-Trendings an dem Tag als auch an 1100 Online-Beiträgen zeigte.
Durch die ausführliche mediale Begleitung durch Fernsehen, Presse, Radio und Blogger im Juni 2016 wurden rund 150 Millionen Menschen weltweit erreicht. Echtzeit-Datenübertragung während der Experimente erlaubte es der interssierten Öffentlichkeit, die Expedition live zu verfolgen.