Meeresforschung in der Ostsee Tornado in der Tiefe

Meereswirbel mit bis zu zehn Kilometern Durchmesser gehören zu den großen Rätseln der Ozeanografie. Über sie wissen Forscher bisher kaum etwas. Eine deutsche Expedition ändert das gerade - mit bemerkenswerter Technik.

Von , Peenemünde


Patrick Kalb-Rottmann/ Helmholtz-Zentrum Geesthacht

Es ist ein betörend schönes Schauspiel, das Burkard Baschek auf dem Bildschirm seines Mobiltelefons präsentiert. Zu sehen ist ein Bild des europäischen Satelliten "Sentinel 3A", so brandaktuell, dass es die Betreiber noch gar nicht offiziell herausgeben mögen. Das Foto zeigt mehrere große Wirbelsysteme im Wasser der Ostsee, südöstlich der dänischen Insel Bornholm. Sie schlingen ihre Arme ineinander wie ein wundersames Gewächs, das sich immer weiter verästelt.

Verantwortlich für den spektakulären Anblick sind Unmengen blaugrüner Cyanobakterien, die Muster im Wasser formen. In der warmen Jahreszeit zeigen Satellitenaufnahmen regelmäßig solche sogenannten Blüten in den Weltmeeren. Doch ist diesmal etwas anders: Baschek und seine Leute haben gerade einen kleinen Wirbel am Rand des Systems im Detail beobachtet. Von einem Zeppelin aus, mit bisher ungekannter Präzision.

Blüte vom August 2015 im Bild des Satelliten "Sentinel-2A"
ESA

Blüte vom August 2015 im Bild des Satelliten "Sentinel-2A"

"Mit nur einem Durchmesser von etwa 100 Metern bis zu zehn Kilometern und einer Lebensdauer von wenigen Stunden bis zu einem Tag stellen diese kleinen Meereswirbel noch immer eines der großen Rätsel der Ozeanografie dar", sagt der Forscher, der Chef des Instituts für Küstenforschung am Helmholtz-Zentrum Geesthacht ist.

Seit Jahren schon beschäftigt er sich mit den rätselhaften Wassertornados, erst an der University of California in Los Angeles, seit vier Jahren nun in Schleswig-Holstein. Submesoskalige Wirbel heißen die Phänomene unter Experten. Baschek beschreibt sie als Räder eines Uhrwerks, die in einem unübersichtlichen System ineinandergreifen - und über die man bisher eben kaum etwas weiß.

Eine aufwendige Expedition in der Ostsee ändert das gerade. "Uhrwerk Ozean" heißt das Projekt - und neben dem Zeppelin gehören dazu der Motorsegler "Stemme S-10 VTX", die Forschungsschiffe "Ludwig Prandtl" und "Elisabeth Mann Borgese" sowie das bis zu 40 Knoten (rund 75 Kilometer pro Stunde) schnelle Motorboot "Eddy".

Rund 40 Wissenschaftler sind insgesamt dabei. Der Zeppelin hat seine Basis auf dem Flughafen Peenemünde auf Usedom, von wo aus die Nazis mit ihrer V2 einst den Weltraum erreichten und später die MiG-Jets der DDR-Luftwaffe starteten. Die Schiffe wiederum liegen in Nexö, an der Ostküste von Bornholm.

Wenn Expeditionsleiter Baschek beim Gespräch in der Kanzel des Zeppelins vom Zusammenspiel der verschiedenen Forschungsplattformen spricht, von den ersten Messtagen im 150 Quadratkilometer großen Einsatzgebiet, dann klingt er wie ein Junge, der gerade seine lange herbeigesehnte Modelleisenbahn ausprobieren durfte. Und der damit ziemlich zufrieden ist.

Forscher Baschek im Zeppelin
SPIEGEL ONLINE

Forscher Baschek im Zeppelin

"Bei den kleinen Wirbeln enden sowohl unsere Beobachtungen als auch die Modellierungen", beschreibt Marina Levy vom französischen Forschungsinstitut Locean in Paris, die nicht an der Messkampagne in der Ostsee beteiligt ist, das bisherige Problem. Dabei seien die Wirbel ebenso wichtig für den Nährstofftransport in den Weltmeeren wie für das umfassende Verständnis des Klimasystems.

Bisherige Modelle überziehen die Ozeane mit einem Gitternetz von jeweils 100 mal 100 Kilometern, die kleinen Wirbel rutschen da durch die Maschen.

"Submesoskalige Wirbel sind eines der wichtigen Themen der Physikalischen Ozeanografie", bestätigt auch Peter Brandt vom Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel. Der Meeresforscher ist wie Levy nicht an dem Zeppelin-Experiment in der Ostsee beteiligt. Er findet es nach eigenem Bekunden aber durchaus folgerichtig, vom Luftschiff aus zu forschen - selbst wenn das viel Aufwand bedeutet: "Diese Strömungen sind viel kleiner als alles, was man vom Satelliten aus sehen kann."

Natürlich gebe es Satellitenbilder von verwirbelten Algenblüten oder Ölfilmen, sagt Brandt, aufgenommen im Bereich des sichtbaren Lichts oder mit Radarsatelliten. Doch wüssten Meeresforscher bisher viel zu wenig über kurzfristige Änderungen bei Temperaturen und Salzgehalten im Meer - und darüber, welche turbulenten Bewegungen in der Vertikalen und der Horizontalen es im Wasser gibt. "Diese Informationen, die entscheidend für Modellierung, Verständnis und auch Vorhersage des Ozeans sind, kann man nicht mit solchen Satellitenbildern bekommen", sagt Brandt.

Ozeanströmungen und Wirbel in einer Simulation des Los Alamos National Laboratory
lanl.gov

Ozeanströmungen und Wirbel in einer Simulation des Los Alamos National Laboratory

Diese Daten soll also die Expedition liefern. Das ideale Hilfsmittel ist aus Sicht von Ozeanograf Baschek der 75 Meter lange Zeppelin, der für die Expedition von seiner Heimatbasis Friedrichshafen nach Usedom geflogen ist. Beim Manövrieren klingt er wie eine Armada von Rasenmähern - doch er kann auch über lange Zeit an derselbe Stelle stillstehen.

Aus einem Kilometer Höhe werden dann die Wirbel mit Spezialkameras untersucht. Eine von ihnen kann noch Temperaturunterschiede von 0,03 Grad im Wasser erkennen. Die andere vermisst in 1000 Spektralbereichen hochpräzise die Farbe der See. Vom Luftschiff aus bekommen dann Forschungsschiffe und Schnellboot außerdem Kommandos, so schnell wie möglich das Wasser in bis zu 50 Metern Tiefe untersuchen. Dabei werden unter anderem Temperatur, Salz- und Sauerstoffgehalt, pH-Wert, Algengruppen und Nährstoffe gemessen.

Die Auswertung der bisher gesammelten Daten wird Jahre dauern, sagen die Forscher. Klar sind nach den ersten drei Messtagen der Expedition zumindest aber schon ein paar Dinge. Zunächst einmal das scheinbar Banale: Mit der Kombination aus Luftschiff und Booten lassen sich tatsächlich Wirbel aufspüren und über weite Teile ihrer Lebenszeit untersuchen. Dabei zeigte sich: Im Inneren der Wirbel ist es kühler, außen wärmer. Der Temperaturunterschied kann fast ein Grad betragen.

Testen Sie Ihr Wissen!

Die Wirbel können, angetrieben von Wind und Gezeiten, an Inseln wie Bornholm entstehen - oder aber weit draußen im freien Meer. Beide Prozesse haben Baschek und seine Leute in den vergangenen Tagen beobachtet. Wie Wirbel und Algenwachstum genau zusammenhängen, warum sich bei manchen Wirbel im Zentrum mehr Lebewesen finden, bei anderen dagegen am Rand, das müssen die Forscher dagegen noch erklären.

Auch an anderen Orten der Welt sind Wissenschaftler dem Phänomen der kleinen Wirbel auf der Spur. So setzten zum Beispiel Forscher der University of Miami (US-Bundesstaat Florida) im Sommer 2012 von einem Forschungsschiff 300 GPS-bestückte Schwimmkörper im Golf von Mexiko aus. Es ist ein Meeresgebiet, in dem windgetriebene Wirbel zusammen auftreten mit solchen, die durch den Süßwasserzufluss des Mississippi oder tiefe Ozeanströmungen verursacht werden.

Im Fachmagazin "Proceedings of the National Academy of Sciences" berichteten die Experten zwei Jahre später von ihren Ergebnissen. Demnach dürften gerade die kleinen Ozeanwirbel mit einem Durchmesser von weniger als zehn Kilometern eine entscheidende Rolle bei der Verteilung der Schadstoffe nach der Katastrophe auf der "Deepwater Horizon" gespielt haben.

Forscher Baschek lobt die Ergebnisse der Amerikaner - kann sich aber einen selbstbewussten Hinweis nicht verkneifen: Während die Kollegen jenseits des Atlantiks die Wirbel mit einer Auflösung von 100 Metern darstellen könnten, habe man mit dem Zeppelin eine Genauigkeit von unter einem Meter erreicht.



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