Die Ozeane sind riesig. Sie bedecken ungefähr 70% der Erdoberfläche. Große Bereiche der Ozeane befinden sich in entlegenen Regionen, Schiffe kommen dort nur selten vorbei. Darüber hinaus sind die Ozeane tief, durchschnittlich etwa 3.800 Meter. Die Abgeschiedenheit sowie die oftmals schwierigen Bedingungen erschweren die Beobachtung der Ozeane. So beträgt beispielsweise der Druck in 2.000 Metern Wassertiefe 200 bar, es herrschen dort also wirkliche Hochdruckverhältnisse. Gleichzeitig macht die enorme Größe der Ozeane diese auch zu einem fundamentalen Bestandteil des Klimasystems. Die Ozeane speichern bis zu 93 % der überschüssigen Wärme und sind damit der wichtigste Wärmepuffer unseres Planeten. Allerdings verändern bereits kleine Temperaturschwankungen das Transportverhalten des Wassers innerhalb der Meeresströmungen. Diese haben wiederum einen enormen Einfluss auf Wetter und Klima. Die Ozeane nehmen darüber hinaus bis zu 30 % des Kohlenstoffdioxids (CO2) auf, also jenes Treibhausgas, welches vom Menschen verursacht in großen Mengen in die Atmosphäre gelangt. Die Aufnahme von Wärme und CO2 durch die Ozeane ist folglich von zentraler Bedeutung, da dadurch die Klimaerwärmung erheblich verlangsamt wird.
Die Überwachung der Ozeane ist daher wichtig, um zu verstehen, wie schnell sich die Ozeane erwärmen und welche Mengen an CO2 sie aufnehmen. Mit Forschungsschiffen werden deshalb Wasserproben genommen und Messungen durchgeführt. Noch heute ist dies die einzige Möglichkeit, eine ganze Reihe an chemischen und biologischen Daten, insbesondere in Wassertiefen unterhalb von 2.000 Metern, zu erfassen. Allerdings ist diese Vorgehensweise teuer und sehr punktuell. Deshalb versuchen Wissenschaftler inzwischen mit Robotersystemen, die Ozeane zu vermessen. Sogenannte Argo-Schwimmkörper treiben durch die Ozeane. Die Instrumente können ihren Auftrieb anpassen. Alle 10 Tage sinken sie von 1.000 Metern auf eine Wassertiefe von 2.000 Metern ab, nehmen von dort bis zur Wasseroberfläche Messungen vor. Von dort senden sie die Daten dann per Satellitentelefon an ein Forschungszentrum, um danach wieder abzusinken. Der Zyklus beginnt dann von neuem. Anfangs konnte auf diese Weise nur die Wassertemperatur und der Salzgehalt bestimmt werden, inzwischen haben Wissenschaftler aber Sensoren entwickelt, mit denen auch der Sauerstoff- und Nitratgehalt sowie der Säuregrad (pH-Wert) des Wassers bestimmt werden kann. Zumindest einige der fast 4.000 Argo-Schwimmer können nun auch die neuen Variablen zu jedem Zeitpunkt erfassen.
Andere autonome Beobachtungssysteme umfassen verankerte Beobachtungsplattformen, in denen verschiedene Sensoren die Parameter Salzgehalt, Temperatur, Sauerstoff und Wasserströmungen messen.
Der Vorteil eines am Boden verankerten Messystems ist die hohe zeitliche Frequenz mit der Daten von dort gewonnen werden können. Darüber hinaus haben insbesondere Langzeitbeobachtungen eine enorme Bedeutung, da dadurch auch kurzzeitige Schwankungen erkannt werden können. So können Änderungen und Entwicklungstrends in den Ozeanen identifiziert werden. Die verankerten Systeme messen zwar nur punktuell, allerdings können die Messdaten zusammen mit den Daten mobiler Messgeräte genutzt werden, um Informationslücken in den Ozeanen durch Extrapolieren zu schließen. Unterwasser-Observatorien haben darüber hinaus den Vorteil, dass eine ganze Reihe von Parametern erfasst werden können. Deshalb betreibt das GEOMAR, Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung, Kiel zusammen mit der lokalen Fischerreibehörde (INDP) ein Observatorium (CVOO) bei den Kapverdischen Inseln im Atlantik. Von Stationen wie dieser kann beispielsweise die zunehmende Ozeanversauerung, die durch den Ausstoß von Kohlendioxid (CO2) in die Atmosphäre hervorgerufen wird, dokumentiert werden.
Auch Satelliten sind ein wichtiges Instrument, Informationen über die Ozeane zu gewinnen. Aus dem All können sowohl Temperatur und Salzgehalt des Oberflächenwassers erfasst werden. Darüber hinaus können anhand der Farbe der Gehalt an Phytoplankton und anderer Partikel berechnet werden. Allerdings beschränken sich diese Informationen auf die Wasseroberfläche, tiefere Wasserschichten können mit Satelliten nicht analysiert werden.
Obwohl Satellitenmissionen über internationale Weltraumbehörden koordiniert und auf die Anforderungen der Ozeanbeobachtung abgestimmt werden, bleiben in-situ Messungen lückenhaft. Oftmals ist beispielsweise die Finanzierung solcher Messungen nicht dauerhaft gesichert. Vielmehr werden Messungen nur über wenige Jahre im Rahmen von Forschungbsprojekten finanziert. Folglich ist es schwierig, Langzeitmessungen zu gewährleisten. Wissenschaftler versuchen deshalb, dieser Herausforderung mit der Entwicklung neuer, präziser Sensorsysteme, die sowohl von autonomen Plattformen als auch von Forschungsschiffen betrieben werden können, zu begegnen.
Vor Kurzem wurde derImplementierungsplan des Global Climate Observing System (GCOS) 2016 veröffentlicht und während der Klimakonferenz in Marrakesch (COP22) verabschiedet. Dieser Plan unterstreicht die Bedeutung der Ozeanbeobachtung, schließlich auch, um Informationen zum Klimawandel zu erhalten.
Bereits das Pariser Klimaschutzabkommen von 2015 betonte die Notwendigkeit, wissenschaftliche Erkenntnisse zu nutzen, um dem Klimawandel effektiv zu begegnen. Die systematische Beobachtung des Klimasystems sowie Frühwarnsysteme in dem Sinne, dass Behörden und Klimadienste informiert bzw. beraten werden, um geeignete Entscheidungen zum Schutz des Klimas treffen zu können.
Text: Dr. Toste Tanhua GEOMAR, Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung, Kiel. Deutsche Übersetzung: Dr. Ute Münch, Wissensplattform Erde und Umwelt
