Meeresforschung

Große Wirkung, kleine Wirbel

Vom Zeppelin aus gut zu sehen: Das vom Rhein in verschiedenen Farben und Schattierungen aufgewühlte Wasser. Bild: HZG/ Torsten Fischer

Erst vor wenigen Jahren gelang Meeresforschern etwas Einmaliges – sie schafften es, einen kleinen Meereswirbel von der Entstehung bis zu seinem Zerfall zu vermessen. Die riesigen Datenmengen werten sie nun aus und wissen bereits: Die Mini-Wirbel spielen eine wichtige Rolle für das Weltklima.

Ein Zeppelin gehört zwar kaum zum täglichen Handwerkszeug eines Ozeanographen. Um aus der Luft das Verhalten von einigen Hundert Meter großen Wasserwirbeln im Meer zu beobachten, bewähren sich solche Luftschiffe sehr. Im Juni 2016 setzt ein Forscherteam unter Leitung von Burkard Baschek vom Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) weltweit erstmalig einen Zeppelin ein, um die kleinen Meereswirbel in der Ostsee aufzuspüren. Es ist ihnen gelungen, einen kleinen Spiralwirbel von der Entstehung bis zum Zerfall über sieben Stunden detailliert zu beobachten – ein einmaliger Erfolg.   

 

Auch wenn keine Welle das Meer kräuselt, die Oberfläche spiegelglatt ist - das Wasser ist fast ständig in Bewegung. Ähnlich wie viele kleine und manche großen Rädchen in einem Uhrwerk die Zeiger bewegen, treiben eine Reihe sehr unterschiedlicher Mechanismen gigantische Wasserströme in verschiedenen Tiefen langsam, aber sicher über Tausende Kilometer voran. In diesen Meeresströmungen stecken riesige Energiemengen, die Wetter und Klima auf der Erde sehr stark beeinflussen. Immer wieder lösen sich von diesen schlängelnden Wasserströmen riesige Wirbel ab, die bis zu 200 Kilometer Durchmesser haben können und die manchmal einige Monate lang durch die Ozeane wirbeln.

Die kleinsten Rädchen in diesem Uhrwerk der Meere sind Wirbel, die mit einem Durchmesser zwischen fünfzig Metern und zehn Kilometern eine ganze Nummer kleiner als ihre großen Verwandten sind. Wie so oft aber spielen diese ganz Kleinen eine ganz große Rolle und liefern Nährstoffe für rund die Hälfte der winzigen Algen, die in den Ozeanen schwimmen und von denen sich direkt und indirekt ein erheblicher Teil der größeren Organismen im Wasser ernährt.

Ausgerechnet von diesen wichtigen Mini-Wirbeln, die in den Augen eines Menschen natürlich immer noch riesig sind,  wissen die Meeresforscher allerdings noch recht wenig. Zusammen mit seinen Mitarbeitern am Helmholtz-Zentrum Geesthacht und der Universität Kiel entwickelt Burkard Baschek das Rüstzeug, mit denen er solche Wirbel vermessen und ihre Entwicklung mit den exakten Methoden der Naturwissenschaften unter die Lupe nehmen kann.

Eine wichtige Rolle spielen dabei kleine Forschungsflugzeuge, die mit Infrarotkameras an Bord Wärmestrahlen aufspüren. Die Mini-Wirbel entstehen oft an den Kanten von Strömungen, an denen warmes und kaltes Wasser aufeinandertreffen. Diese Wirbel drehen sich um sich selbst und mischen dabei die oberste Schicht des Meeres kräftig durch. Im Sommer sind das oft nur die obersten fünf oder zehn Meter, während sie im Winter auch hundert Meter nach unten reichen und oft auch ein wenig die tieferen Wasserschichten anzapfen. Das aber ist für das Leben in den Meeren von entscheidender Bedeutung, weil dort unten meist sehr viele Nährstoffe schweben, die mit dem kälteren Wasser im Zentrum des Wirbels nach oben gedrückt werden.

Eine wichtige Rolle für das Leben im Meer

Weiter oben schwimmen winzigen Algen im Wasser, die auf diesen Nachschub aus der Tiefe dringend angewiesen sind: In den unteren Wasserschichten können sie nicht wachsen, weil bis dorthin zu wenig oder gar kein Sonnenlicht eindringt, ohne dass sie nicht leben können. Erst wenn ein solcher Mini-Wirbel das kalte Wasser mit den Nährstoffen nach oben trägt, explodiert dort das Leben. Von diesen Algen ernähren sich kleine Krebse und andere Organismen, die wiederum von größeren Tieren gefressen werden. Die kleinen Wasserwirbel liefern so eine wichtige Grundlage des Lebens im Meer.

„Beim Wachsen holen die Algen das Treibhausgas Kohlendioxid aus der Luft, binden den darin enthaltenen Kohlenstoff und beeinflussen so auch das Klima“, erklärt Burkard Baschek. Sinken an den Rändern der Wirbel tote Organismen in die Tiefe, lagern sie zumindest einen Teil des in ihnen gespeicherten Kohlendioxids dort unten und entziehen es so dem Klimageschehen. Obendrein transportieren die Wirbel Wärmeenergie und spielen auch so eine wichtige Rolle beim Klima.

Das kalte Wasser im Kern des Wirbels können die Infrarot-Kameras in den kleinen Forschungsflugzeugen aufspüren und entdecken so die für das Meeresleben und das Klima so wichtigen Mini-Wirbel. Jetzt müssen die Forscher schnell handeln, weil diese Winzlinge nur ein paar Stunden oder vielleicht einen Tag lang durch das Meer wirbeln und sich danach wieder auflösen.

Mit Booten fahren sie daher rasch zu den Wirbeln und lassen Sonden ins Wasser, die in verschiedenen Tiefen wichtige Faktoren wie die Temperatur, den Sauerstoff-Gehalt im Wasser, die Menge des Blattgrüns Chlorophyll und natürlich auch die Tiefe messen. Bereits in den USA hat Burkard Baschek eine Schleppkette mit zwanzig verschiedenen Sensoren für jeweils andere Messungen entwickelt, die ein schnelles Boot mit der hohen Geschwindigkeit von rund 18 Kilometern in der Stunde durch den Mini-Wirbel zieht. „Wenn wir einen solchen kleinen Wirbel aufgespürt haben, sind wir mit bis zu vier Booten und vier Flugzeugen unterwegs, um ihn möglichst genau zu vermessen“, erklärt Burkard Baschek.

Computermodelle für Mini-Wirbel

Die so gewonnene Flut von Daten werten die Forscher aus und verstehen dabei die Vorgänge in diesen Wirbeln immer besser. Das wiederum ist für die Klimaforschung sehr wichtig, weil ein einzelner dieser Mini-Wirbel zwar nur einen sehr kleinen Einfluss auf Wetter und Klima hat. Da es aber sehr viele dieser kleinen Meereswirbel gibt, ist deren gemeinsamer Einfluss sehr groß. Das Wissen bauen die Wissenschaftler in die Computer-Modelle für Meeresströmungen ein, die solche Wirbel bisher viel zu wenig berücksichtigen. Und weil die Strömungen und Wirbel im Meer einen sehr starken Einfluss aufs Klima haben, verbessert das die Klimamodelle enorm.

Den nächsten Schub für diese Forschung dürfte im November und Dezember 2019 eine Expedition zur Küste West-Afrikas und auf die Kapverdischen Inseln bringen. Diesmal zwar ohne Zeppelin, dafür aber im Rahmen des Helmholtz-Beobachtungssystems MOSES (Modular Observation Solutions for Earth Systems), in dem gleich sieben Helmholtz-Zentren ihre Forschungskapazitäten bündeln. Vom Forschungsschiff Meteor aus beobachten dann Arne Körtzinger vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung in Kiel und seine Kollegen riesige Meereswirbel, die sich an der tropischen Küste West-Afrikas bilden. Auf ihrem langsamen Weg nach Westen passieren sie die Kapverdischen Inseln, auf denen HZG-Forscher Burkard Baschek bereits wartet, um die kleinen Wirbel unter die Lupe zu nehmen, die sich von den großen lösen. Mit den Ergebnissen hoffen die Forscher, die Klima-Modelle weiter zu verbessern und die Grundlagen des Lebens im Meer besser zu verstehen.

Zum Weiterlesen:

Die Jagd nach den Meereswirbeln

„So etwas gab es bisher nicht ansatzweise“ (Interview mit Burkard Bascheck)

Website Uhrwerk Ozean

12.07.2019 , Roland Knauer
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