Kohlenstoffkreislauf im Ökosystem erforschen

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Mehr als 100 Forscher tauchen in „Dämmerungszone“ des Ozeans

Ein großes multidisziplinäres Team von Wissenschaftlern, ausgestattet mit moderner Tauchrobotertechnik und einer Reihe von Analysegeräten, wird im August dieses Jahres Richtung Nordostpazifik in See stechen, berichtet Steve Cole vom Goddard Space Flight Center der NASA am 18.06.2018. Das Team soll im Auftrag von NASA und National Science Foundation (NSF) ist es, Leben und Tod der kleinen Organismen zu untersuchen, die eine entscheidende Rolle bei der Entfernung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre und im Kohlenstoffkreislauf des Ozeans spielen.

Mehr als 100 Wissenschaftler und Besatzungen von mehr als 20 Forschungseinrichtungen werden von Seattle aus für die ozeanographische NASA-Kampagne namens Export Processes in the Ocean from Remote Sensing (EXPORTS) an Bord gehen. EXPORTS ist die erste koordinierte multidisziplinäre Wissenschaftskampagne ihrer Art, die mit Hilfe von zwei Forschungsschiffen und mehreren Unterwasserroboterplattformen das Schicksal und die Auswirkungen des Kohlenstoffkreislaufs auf das mikroskopische Plankton untersuchen wird.

Die Forschungsschiffe Revelle (li.) und Sally Ride (u.), die von der Scripps Institution of Oceanography, University of California San Diego, betrieben werden, fahren 200 Meilen nach Westen in den offenen Pazifik. Von diesen Seelabors aus werden die Forscher das Plankton sowie die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Ozeans von der Oberfläche bis zu ca. 800 m Tiefe in die Dämmerungszone erforschen, eine Region mit wenig oder keinem Sonnenlicht, wo der Kohlenstoff des Planktons über Zeiträume von Jahrzehnten bis zu Tausenden von Jahren abgesondert und von der Atmosphäre ferngehalten werden kann.

„Durch den Einsatz von zwei Schiffen können wir komplexe ozeanographische Prozesse beobachten, die sich in Raum und Zeit unterscheiden, die wir mit einem einzigen Schiff nicht erfassen könnten“, sagte Paula Bontempi, Programmmanagerin für Meeresbiologie und Biogeochemie im NASA-Hauptquartier.

Phytoplankton besteht aus winzigen, pflanzenähnlichen Organismen, die im sonnenbeschienenen oberen Ozean leben. Sie nutzen Sonnenlicht und gelöstes Kohlendioxid, das aus der Atmosphäre in den oberen Ozean gelangt, um durch Photosynthese zu wachsen. Als Primärproduzent spielt Phytoplankton eine wichtige Rolle bei der Entnahme von atmosphärischem Kohlendioxid und der Produktion von Sauerstoff. Wenn Phytoplankton von Plankton verzehrt wird oder stirbt, sinken seine Überreste ab und ein Teil seines Kohlenstoffs wird in die Tiefe befördert.

Während die wichtigsten Transportwege, wie sich Kohlenstoff durch den Ozean bewegt, bekannt sind, ist die Größe der Kohlenstoffflüsse in den verschiedenen ozeanischen Pfaden und ihre Abhängigkeit von den Eigenschaften des Ökosystems kaum bekannt. Wissenschaftler des EXPORTS-Teams untersuchen, wie viel Kohlenstoff sich durch den Ozean in der oberen Sonnenschicht und in die Dämmerungszone bewegt und wie sich ozeanökologische Prozesse auf das Schicksal und die Sequestrierung von Kohlenstoff auswirken. Diese Informationen werden benötigt, um vorherzusagen, wie viel Kohlenstoff über welche Zeitskalen in die Atmosphäre zurückfließt oder wie viel Kohlenstoff in die Tiefen der Ozeane transportiert wird.

Klimawandel-Prozesse verstehen

„Der Kohlenstoff, den Menschen in die Atmosphäre bringen, erwärmt die Erde“, sagt Mike Sieracki, Programmdirektor in der Abteilung Ozeanwissenschaften der National Science Foundation. „Ein Großteil dieses Kohlenstoffs gelangt schließlich in den Ozean und wird in die Tiefe transportiert, wo er abgesondert wird und für lange Zeit nicht mehr in die Atmosphäre zurückkehrt. Dieses Projekt wird uns helfen, die biologischen und chemischen Prozesse, die den Kohlenstoff entfernen, zu verstehen und eine Grundlage für die Überwachung dieser Prozesse während des Klimawandels zu schaffen.“

Sieben Jahre in der Entwicklung, war die Kampagne 2018 ein riesiges Unterfangen, sagte David Siegel, EXPORTS Science Lead von der University of California, Santa Barbara. „Die Auswirkungen der EXPORTS-Daten auf das Verständnis, wie sich unser Planet verändert, werden erheblich sein“, so Siegel. „Die Farbsatellitenaufzeichnungen der NASA zeigen uns, dass diese Ökosysteme sehr empfindlich auf Klimaschwankungen reagieren. Veränderungen der Phytoplanktonpopulationen beeinflussen das Meeres-Nahrungsnetz, da Phytoplankton von vielen großen und kleinen Tierarten gefressen wird. Es steht viel auf dem Spiel.“

Die langfristige Entfernung von organischem Kohlenstoff aus der Atmosphäre in die Tiefen des Ozeans wird als biologische Pumpe bezeichnet, die über drei Hauptprozesse arbeitet.

  • Erstens sinken kohlenstoffhaltige Partikel von der Meeresoberfläche durch die Schwerkraft, wie es bei abgestorbenem Phytoplankton oder Kot von Kleintieren, dem Zooplankton, der Fall ist.
  • Zweitens wandert Zooplankton täglich an die Meeresoberfläche, um sich von Phytoplankton zu ernähren und in der Nacht in die Dämmerungszone zurückzukehren.
  • Drittens transportieren physikalische Prozesse im Ozean, wie die große globale Umwälzung der Ozeane und kleinere turbulente Wirbel, suspendierten und gelösten Kohlenstoff in große Tiefen.

Die Satelliten der NASA liefern viele Messungen der obersten Schicht der Ozeane, wie Temperatur, Salzgehalt und Chlorophyll-Konzentration. EXPORTS wird Daten über die Rolle von Phytoplankton und Plankton in der biologischen Pumpe und den Transport von Kohlenstoff liefern, wichtige Informationen für die Planung von Beobachtungen und Technologien, die für zukünftige Erdbeobachtungsmissionen benötigt werden.

„Wir haben EXPORTS entwickelt, um gleichzeitig die drei grundlegenden Mechanismen zu beobachten, mit denen Kohlenstoff aus dem oberen Ozean in die Tiefe gelangt“, sagte Siegel. „Wir versuchen, die Biologie und Ökologie des Phytoplanktons im Oberflächenwasser besser zu verstehen, wie diese Eigenschaften den Transport von Kohlenstoff in die Dämmerungszone bewirken und was dann mit dem Kohlenstoff im tieferen Wasser passiert.“

Die Instrumente

  • Unter den vielen verwendeten Technologien befindet sich auch eine autonome Plattform namens „Wirewalker“, die Wellenenergie nutzt, um Instrumente entlang eines gespannten Drahtes von der Oberfläche bis in eine Tiefe von 500 Metern zu bewegen und dabei Temperatur, Salzgehalt, Sauerstoff, Kohlenstoff und Chlorophyllkonzentration zu messen.
  • Ein zwei Meter langes ferngesteuertes Unterwasserfahrzeug namens Seaglider wird ähnliche Messungen durchführen, aber in Tiefen von bis zu 1.000 Metern.
  • An Bord des Schiffes werden Proben für genomische Sequenzierer gesammelt, um die Zusammensetzung der Phytoplankton-, Zooplankton-, Bakterien- und Archäologiegemeinschaften zu beurteilen.
  • Neue mikroskopische Abbildungsverfahren werden auch von EXPORTS-Wissenschaftlern eingesetzt, darunter ein Hochdurchsatzmikroskop namens Imaging FlowCytobot, das in Echtzeit hochauflösende Bilder von Milliarden einzelner Phytoplanktonarten liefert.
  • Der Underwater Vision Profiler misst die Größe sinkender Aggregatpartikel und sammelt Bilder von Zooplanktonorganismen.
  • Auf dem Schiffsaufbau werden optische Instrumente montiert, welche die Farbe des Ozeans mit sehr hoher spektraler Auflösung messen, von den ultravioletten Wellenlängen bis zu den kurzwelligen Infrarotbändern des elektromagnetischen Spektrums. Phytoplankton hat ausgeprägte spektrale “ charakteristische “ Lichtfarben, die es absorbiert und streut. Durch die Identifizierung dieser Signaturen werden Wissenschaftler in der Lage sein, Algorithmen für zukünftige Satelliten-Ozean-Farbmissionen zu entwickeln, wie die NASA-Mission Plankton, Aerosol, Cloud, Ocean Ecosystem (PACE). Vom Weltraum aus wird PACE ähnliche optische Instrumente verwenden, um die Art und Menge des im Ozean vorhandenen Phytoplanktons zu unterscheiden.

„Was wir von EXPORTS lernen werden, wird uns ein tieferes Verständnis dafür geben, wie Planktonarten und andere Mikroorganismen wie Bakterien mit ihrer Umwelt interagieren“, sagte Bontempi. „Mit diesen Informationen können wir nicht nur neue Ansätze zur Identifizierung und Quantifizierung von Planktonarten aus dem All entwickeln, sondern auch vorhersagen, wie viel Kohlenstoff in die Atmosphäre zurückfließt und wie viel langfristig in die Tiefen des Ozeans transportiert wird“.

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