ScienceLog von FS POLARSTERN - Log 1
Logbuch der Ozeanographie-Arbeitsgruppe
ARK XXIII/3, August bis Oktober 2008:
Wer sind wir
Mein Name ist Benjamin Rabe, ich bin 31 Jahre alt und Ozeanograph am Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung (AWI) in Bremerhaven. Mit dem Wunsch, nach dem Abitur ein angewandtes Gebiet der Physik und Mathematik zu studieren, bin ich 1996 zu einem Ozeanographiestudium am Southampton Oceanography Centre (heute National Oceanography Centre, Southampton) in Großbritannien gekommen, wo ich bis zum Ende meiner Promotion geblieben bin. Von 2004 bis 2006 habe ich im Rahmen des deutschen ARGO Projekts am IFM-GEOMAR in Kiel an der Datenerfassung von autonom (unabhängig) messenden Geräten im tropischen Atlantik und Nordatlantik gearbeitet. Seit 2006 arbeite ich am AWI im Rahmen eines Projekts des Bundesministeriums fuer Bildung und Forschung, wobei dies jetzt meine zweite Expedition in die Arktis ist. Unser Ozeanographieteam während dieser Expedition an Bord Polarstern ist bunt gemischt und besteht aus zwei Wissenschaftlern, zwei Ingenieuren und einem Studenten (Bild 1).
Bild 1 Gruppenfoto: Mitglieder der Ozeanographiegruppe an Bord Polarstern während ARK XXIII/3. Von links nach rechts: Dirk Kalmbach (AWI), Sebastian Mechler (Optimare Sensorsysteme, Bremerhaven), Alexander Nauels (AWI und Universität Bern), Benjamin Rabe (AWI) und Takashi Kikuchi (Japanese Agency for Marine Science and TEChnology).
Hintergrund
Beobachtungen der letzten Jahrzehnte zeigen, dass der teilweise eisbedeckte Arktische Ozean ein Indikator für Klimaveränderung ist. Ausserdem besteht eine direkte Verbindung der Arktis über die Framstrasse zu den Konvektionsgebieten im Nordatlantik (umkreiste Kreuze im Schema, Bild2 ) , wo oberflächennahes Wasser als Teil der globalen Umwälzzelle in die Tiefe absinkt. Diese Zelle ist u.a. dafür verantwortlich, dass warmes Wasser von den Tropen nach Nordeuropa gelangt. 2007 wies die Eisbedeckung ein Rekordminimum auf, was allerdings u.a. aufgrund der atmosphärischen Zirkulation in 2008 nicht unterboten wurde. Der Arktische Ozean wird stark von einfliessendem warmem Wasser aus dem Nordatlantik (rote Linien im Schema), Pazifikwasser und dem Eintrag von Süsswasser durch die Eurasischen und Nordamerikanischen Flüsse sowie Niederschlag beeinflusst.
Bild 2 Zirkulation des warmen Atlantikwassers nach Rudels et al. (2005). Gezeigt sind das durch die Barentssee und die östliche Framstrasse einfliessende Atlantikwasser, was in den arktischen Becken zirkuliert und modifiziert wird, bevor es über die westliche Framstrasse die Arktis verlässt.
Wir als Ozeanographen untersuchen die Verbreitung, Zirkulation und Vermischung dieser verschiedenen Wassermassen sowie deren Umwandlung durch Einflüsse an der Ozeanoberfläche, wie z.B. Eisbildung. Der Fokus des Ozeanographieprogramms während der Reise liegt auf der Erfassung von physikalischen Daten der Wassersäule vom Schiff aus und dem Ausbringen von autonomen Beobachtungsbojen für Ozeanmessungen auf Eisschollen (Bild3). Letztere können auch im Winter, wenn die Arktis fast nicht für Schiffsexpeditionen zugänglich ist, Daten erfassen und per Satellit an Datenzentren schicken. Unsere Messungen tragen zur Forschung innerhalb des International Polar Year (IPY), dem EU Projekt DAMOCLES und dem BMBF Projekt Nordatlantik bei. Die Bojendaten werden ausserdem operationell durch das International Arctic Buoy Programme (IABP) bereitgestellt.
Bild3 Topographische Karte der Wassertiefen mit Positionen der CTD und XCTD Stationen und Bojenauslegungen.
Was messen wir
Die Strömungsgeschwindigkeit des oberen Ozeans wird kontinuierlich vom Schiff aus mittels eines Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) gemessen. Dieses Instrument sendet Schallimpulse, die abhängig von der Schallgeschwindigkeit von Teilen der Wassersäule reflektiert und am Gerät gemessen werden. Die Wassergeschwindigkeit wird über den Doppler Effekt gemessen, den die Bewegung in Teilen der Wassersäule relativ zum Schiff im Schallsignal erzeugt. In Verbindung mit Navigationsdaten kann somit die absolute Geschwindigkeit des Wassers berechnet werden. Unser erstes vertikales Profil von Temperatur und Salzgehalt im Wasser haben wir in der Baffin Bay mittels eines Einwegmesssystems ermittelt. Dieses System, genannt „XCTD“ (Expendable Conductivity Temperature Depth, xctd), kann vom fahrenden Schiff ausgebracht werden und ermittelt die Tiefe aus der Fallgeschwindigkeit der Messsonde. Beim Fall werden Temperatur und elektrische Leitfähigkeit gemessen, was zusammen die Berechnung von anderen Parametern erlaubt, z.B. Salzgehalt und Schallgeschwindigkeit. Solche vertikalen „Profile“, die bis auf eine maximale Tiefe von 1100m gehen, wurden entlang der Strecke von der McKenzie Flussmündung, nachdem wir die Kanadischen Hoheitsgewässer verlassen hatten, bis zum Chukchi Plateau und dem Mendeleyev Rücken gemessen. Das Atlantikwasser in unserem Schnitt befindet sich mehrer hundert Meter unter der Wasseroberfläche und zeigt das charakteristische Temperaturmaximum. Da das Atlantikwasser auf dem Weg durch die arktischen Becken von der Framstrasse und der Barentssee her abkühlt, wird dieses Temperaturmaximum vom Mendeleyevrücken in das Kanadabecken hin schwächer (rote, orange und grüne Linien im Schema Bild 2).
Bild 4 Eine CTD (Conductivity Temperature Depth), die vertikale Profile von Temperatur, Salzgehalt und Druck misst, wird zu Wasser gelassen. In den 24 Wasserschöpfern können je 12 Liter Wasser aus verschiedenen Tiefen genommen werden.
Einen weiteren Schnitt von Temperatur- und Salzgehaltsprofilen haben wir vom Kanadabecken bis in das Amundsenbecken und dem Nansen-Gakkelrücken gemessen. Hier haben wir nicht nur die XCTD und sondern auch ein genaueren CTD System benutzt (Bild 4), was stationär vom Schiff aus an einem Stahlkabel heruntergelassen. Das Kabel dient gleichzeitig als elektrischer Einleiter, so dass die CTD vom Schiff aus gesteuert werden kann, um z.B. Wasserproben aus verschiedenen Tiefen zu nehmen.
Bild 5 (rechts) Eine Vorgruppe geht auf das Eis, um das sichere Terrain abzustecken. Unter Ihnen ist auch ein bewaffneter Eisbärenwächter.
Arbeiten auf dem Eis
Die autonomen Messbojen, die wir im Eis ausgebracht haben, zeichnen regelmässig die geographische Position und Uhrzeit mittels des satellitengesteuerten Global Position System (GPS) auf. Vier der Bojen messen Temperatur- und Salzgehaltsprofile ähnlich den CTDs, eines die Strömungsgeschwindigkeit im Wasser und andere den Luftdruck, -temperatur, -feuchtigkeit und Windrichtung und -geschwindigkeit. Die Daten der Bojen werden nicht nur wissenschaftlich untersucht, sondern tragen teilweise auch direkt zur operationellen Erfassung der Daten bei, welche z.B. von kurzzeitig vorhersagenden Computermodellen genutzt werden. Das Ausbringen dieser Bojen erfordert einigen logistischen Aufwand: Zuerst muss eine geeignete Eisscholle mit dem Helikopter gefunden werden. Dann geht eine kleine Gruppe auf das Eis, um eine geeignete Stelle für das verankern der Boje zu finden. Dabei ist wichtig, dass das Eis dick genug ist und die Scholle am Rand durch zusammengeschobene Eishügelketten geschützt ist. Letztere, sogennante „Ridges“, entstehen, wenn Eisschollen aufeinandertreffen und sich an den Rändern über- oder untereinander schieben. Während der ganzen Zeit auf dem Eis muss eine bewaffnete Person Wachen stehen und nach möglichen Eisbären Ausschau halten (Bild 5).
Bild 6 Ein Bohrelement wird zur Bohrung eines Eislochs an den Motor angeschlossen.
Als nächstes wird das Loch zum Ausbringen der Boje gebohrt (Bild 6). Bei den Bojen die ähnlich der CTD messen, wird dann ein profilierendes Messinstrument hinuntergelassen, was an einem Stahlkabel mehrmals täglich auf- und abtauchen wird (Bild 7). Das Strömungsmessgerät, ähnlich des ADCP im Schiffsrumpf, braucht ein grösseres Loch und sitzt nur wenige Meter an einer Stahlstange befestigt unter dem Eis (Bild 8). Wenn die Bojen verankert und alles aufgeräumt ist, müssen die Werkzeuge und Gerätschaften noch zurück zum Schiff transportiert werden. Aufgrund von Wetterumständen kann dies manchmal nicht per Helikopter geschehen (Bild 9), so dass der gute alte Nansenschlitten und Menschenkraft herhalten müssen (Bild 10).
Bild 7 Ein autonom profilierendes Messinstrument kurz vor dem ersten Absinken. Dieser sogenannte „Profiler“ umklammert das mehrere hundert Meter lange Stahlseil und kann, z.B. mittels eines Motors zum Messen des Salzgehalts, Drucks und der Temperatur im Wasser auf- und abfahren. Rechts im Bild die Oberflächenbojen zweier solcher Systeme, mittels derer die Daten per Satellit an die Datenzentren geschickt werden.
Bild 8 Ein autonom operierender Strömungsmesser. Dieses Gerät misst mittels akkustischer Signale die horizontale Geschwindigkeit in den oberen 500m der Wassersäule und sendet die Daten dann per Satellit an den Hersteller, die Firma Optimare, welche die Daten bereitstellt. Bevor das Gerät ausgebracht werden kann, muss ein ca. 80cm breites Loch gebohrt werden.
Bild 9 Transport von Bojen und Gerätschaften per Aussenlast am Helikopter.
Bild 10 Transport von Gerätschaften per Nansenschlitten und Menschenkraft über das Eis.
Die hier verwendeten Bilder wurden von Teilnehmern der Polarsternexpedition ARK XXIII/3 bereitgestellt, u.a. Britta Wendt, Christelle Not, David Poggemann, Felicia Winter, Franziska Jurisch, Tanja Dufek, Isabell Schulte-Loh, Juliane Müller, Laura Jensen, Nam Seung-Il, Natalie Fischer, Pia Pulm, Steffen Spielke, David Naafs, Benjamin Rabe, Takashi Kikuchi, Alexey Kirilov, Christian März, Jochen Kollofrath. Die Rechte der Bilder liegen beim Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung.
Das ScienceLog POLARSTERN ist eine Kooperation des Alfred-Wegener-Instituts für Polar-und Meeresforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft mit planeterde.de.
