Meeresphysik

Profil der Arbeitsgruppe Meeresphysik

Siebzig Prozent der Erdoberfläche sind von Meeren bedeckt. Für uns Landbewohner sind diese Gebiete weitaus schwieriger zugänglich als das Festland, weshalb ihre Erforschung auch heute eine besondere Herausforderung ist, gleichzeitig aber auch eine große Anziehungskraft besitzt. Diese Attraktivität ergibt sich auch aus der in der Meeresforschung sehr ausgeprägten fachübergreifenden Arbeitsweise, die biologische und chemische Methoden einschließt und in gleicher Weise in anderen Teilbereichen der Physik kaum anzutreffen ist.

Budgets und Zustände des Wattenmeers

Im Rahmen der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft eingerichteten Forschergruppe BioGeoChemie des Watts untersuchen wir, ob sich das ständig den Einflüssen der offenen Nordsee und des Festlandes unterliegende Ostfriesische Wattenmeer bezüglich der Ein- und Austräge gelöster und partikulärer Komponenten derzeit in einem Gleichgewichtszustand befindet oder einen Netto-Verlust erleidet. Hierbei wird auch die saisonale Dynamik landseitiger und seewärtiger Einträge und deren Auswirkung auf Austausch einzelner Stoffe überprüft. Von besonderer Bedeutung für diese Vorgänge sind extreme Wettersituationen wie etwa Stürme und Eiswinter, die eine Datenaufnahme von Forschungschiffen aus nicht zulassen.

messstation

Um auch zu Zeiten extremer Wetterlagen Messungen durchführen zu können, wurde im Seegatt der Insel Spiekeroog die Forschungsstation Wattenmeer aufgebaut. Die Station überträgt Zeitserien physikalischer, chemischer und biologischer Parameter des Wassers sowie meteorologische Daten über eine Fernübertragung direkt an die Universität Oldenburg.

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Fernerkundung mit Lasern

Intensive Lichtpulse von Hochleistungslasern werden von einem Flugzeug aus ca. 300 m Höhe zur Meeresoberfläche ausgesandt. Dies führt in der oberen Wassersäule zu Streu- und Fluoreszenzlicht, das mit einem Teleskop erfasst und spektral zerlegt wird. Die Auswertung dieser Signale gestattet eine sehr empfindliche und spezifische Analyse von Substanzen im Wasser, insbesondere Phytoplankton, Huminstoffe (Gelbstoffe) und mineralische Schwebstoffe im Wasser.

Wenn man sehr kurze Lichtpulse im Bereich von Nanosekunden Dauer und entsprechend schnelle Lichtdetektoren verwendet, können über Laufzeitmessungen auch Tiefenprofile von Substanzen in der oberen Wassersäule gemessen werden. Wegen der Analogie zum Radar wird diese Methode als Lidar (Light detection and ranging) bezeichnet. Die Profiltiefe kann in klarem Wasser 50 m betragen. Im Küstenbereich werden wegen der Schwebstoffe im Wasser jedoch meist nur etwa 5 bis 20 m Tiefe erreicht.

airbornde

Da auch Öle intensiv fluoreszieren, lassen sich mit Lidar auch Ölverschmutzungen im Meer erfassen. Ein in unserer Arbeitsgruppe entwickeltes Instrument wird vom Bundesminister für Verkehr routinemäßig für die Meeresüberwachung eingesetzt, um Schadstoffeinleitungen zu erkennen und ihre Verursacher zu identifizieren.

 

Die Wassersäule der Ozeane

Mit bio-optischen Sensoren lassen sich Messungen in der Wasseräule von der Meeresoberfläche bis in die Tiefsee durchführen. Es können Daten über Bakterien, Algen und mineralische Teilchen, über gelöste organische Substanzen (Gelbstoff) sowie über das Unterwasserlichtfeld gewonnen werden. Die Entwicklung spektral hochauflösender Detektoren, sogenannter Polychromatoren, die wegen ihrer geringen Baugröße in Sonden integriert werden können, führte zu erheblichen Fortschritten der optischen Messtechnik. So können mittlerweile mit einem inversen Modell, das die optischen Stoffeigenschaften der im Wasser vorhandenen Substanzen nutzt, aus in situ gemessenen Spektraldaten der Lichttransmission quantitative Werte des Phytoplankton-, Gelbstoff- und Schwebstoffgehalts berechnet und in Form von Tiefenprofilen oder Zeitserien dargestellt werden, wie es auch mit Daten der Temperatur und des Salzgehalts geschieht.

Biologische und chemische Vorgänge hängen wesentlich von den Lichtverhältnissen im Meer ab. Zu diesen Vorgängen gehört insbesondere die Photosynthese von Algen, über die atmosphärisches Kohlendioxid im Meer gespeichert wird. Die mit optischen Messmethoden nachweisbaren Substanzen beeinflussen folglich die biologische Produktivität und sind daher für die Austauschprozesse klimarelevanter Gase und ihren Verbleib im Ozean von Bedeutung.

Biologische und chemische Vorgänge im Meer hängen ganz wesentlich von den Lichtverhältnissen in der Wassersäule ab. Zu diesen Vorgängen gehört insbesondere die Photosynthese von Algen, über die das atmosphärische Kohlendioxid im Meer gespeichert wird. Die Kenntnis des Tageslichtspektrums in Abhängigkeit von der Wassertiefe erlaubt einen Nachweis absorbierender und streuender Stoffe aus gemessenen Tiefenprofilen.

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Spektrum der Eindringtiefe, bei der die Lichtintensität nur noch 1% des Wertes
an der Oberflächen beträgt, aufgenommen vor der westafrikanischen Küste
bei hohen Algenkonzentrationen (oben) und auf dem offenen Ozean in klarem Wasser (unten).
Man erkennt das blau-grüne optische Fenster des Wassers zwischen 450 und 500 nm Wellenlänge,
in dem das Licht in klaren Meeresregionen tief in die Wassersäule eindringen kann.

Optische Daten können aber auch für biogeochemische Modelle vorteilhaft genutzt werden, in denen die biologische Primärproduktion bzw. der Kohlenstoffkreislauf beschrieben werden. Die Ergebnisse solcher Modelle, etwa die saisonale Variablilität der Tiefe des Chlorophyll-Maximums in den Ozeanen, geben wiederum Hinweise darauf, mit welcher Genauigkeit optisch wirksame Substanzen im Meer mit Fernerkundung der Meeresfarbe bestimmt werden können.

 

In unserer Arbeitsgruppe werden insbesondere optische Verfahren für die Meeresforschung entwickelt und genutzt. Wasser ist für Licht sehr transparent. Im Wasser gelöste oder suspendierte Substanzen führen zu Absorption und Streuung des Lichtes. Viele organische Stoffe zeigen Fluoreszenzerscheinungen, wenn sie ultravioletter oder sichtbarer Strahlung ausgesetzt werden. Diese Eigenschaften werden genutzt, um Substanzen im Meer optisch zu bestimmen. Algen, durch Flüsse in den Küstenbereich eingetragene Schwebstoffe und gelöste organische Substanzen, aber auch Belastungen durch Öl und Chemikalien lassen sich sehr empfindlich nachweisen. Anwendungen finden sich daher neben der Meeresforschung auch in der Umweltüberwachung.