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Die Erben der Flaschenpost

Von ROLAND WENGENMAYR
Foto: www.argo.ucsd.edu

04.10.2019 · Kürzlich wurde der neue IPCC-Sonderbericht „Ozean und Kryosphäre“ veröffentlicht. Tatsächlich prägen die Weltmeere das Klima entscheidend – und sie werden wärmer. Wie es tief unter ihren Oberflächen aussieht, erkundet heute eine Flotte aus mehr als viertausend Tauchrobotern.

V or 155 Jahren begann eines der längsten Projekte der Wissenschaftsgeschichte. Der Geophysiker Georg von Neumayer (1826 bis 1909), nach dem die mittlerweile dritte deutsche Antarktis-Station benannt ist, wollte die weltweiten Meeresströmungen genau kartieren – und zwar per Flaschenpost. In jeder der von Schiffen gezielt ausgebrachten Flaschen steckte ein von Neumayer entworfener standardisierter Zettel, auf dem Position des Auswurfs, der Name des Schiffs, dessen Route und weitere Daten vermerkt waren. Platz für romantische Botschaften war indes nicht vorgesehen.

Die ersten Flaschen wurden 1864 ins Meer geworfen. Danach geschah drei Jahre lang nichts. Niemand schickte Neumayer einen Zettel aus einer irgendwo angespülten Flasche, und der Forscher begann schon an seiner Idee zu zweifeln. Doch dann meldete sich der erste Finder. Seine Flasche war am 17. Juli 1864 von der „Norfolk“ auf der Fahrt von Melbourne nach London nahe Kap Hoorn ins Meer geworfen und am 9. Juni 1867 an Land gespült worden – in Australien, wo Neumayer selbst jahrelang gelebt hatte. In schön geschwungener Handschrift sind die Daten auf dem Zettel vermerkt, der heute im Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie in Hamburg aufbewahrt wird. Fortan erwies sich das Programm als so erfolgreich, dass es bis 1933 fortgeführt wurde: 660 Zettel gelangten nach Hamburg, wo sie nebst den daraus erstellten historischen Strömungskarten archiviert sind. Noch 2018 wurde, ebenfalls in Australien, eine von Neumayers Flaschen entdeckt. Sie war 132 Jahre zuvor ausgesetzt worden. Um die Echtheit zu überprüfen, sei sogar ihr Glas von einem Labor analysiert worden, berichtet Martina Plettendorff, Leiterin des Archivs im Hamburger Bundesamt. Das Ergebnis: Es ist tatsächlich eine originale Ginflasche aus jener Zeit, die, nachdem sie jemand ausgetrunken hatte, in den Dienst der Wissenschaft gestellt wurde.

Ihre modernen Nachfolger erinnern ebenfalls an Flaschen, allerdings eher an welche für Industriegase: die Tauchbojen des Projekts „Argo“, benannt nach dem Schiff einer Superheldentruppe aus der griechischen Mythologie. Es sind autonome Mini-U-Boote, die vertikal abtauchen und aufsteigen können. Horizontal müssen und sollen sie mit der Strömung driften wie einst die Flaschenpost. Etwa 15 000 Euro kostet eine Argo-Boje in der Standardausführung, bei einer Lebensdauer von bis zu sechs Jahren. Sicher, Ginflaschen waren billiger.

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Die ersten Argo-Bojen schwammen in bestimmten, von Forschungsschiffen häufiger frequentierten Seegebieten. Grafiken argo.net, Bearbeitung F.A.Z. Grafik heu.
Neun Jahre später sind die Weltmeere weitgehend abgedeckt. In den Polarmeeren bleiben allerdings große Lücken. Grafiken argo.net, Bearbeitung F.A.Z. Grafik heu.
Heute sind manche Strömungsmuster leicht zu sehen, etwa der Äquatoralstrom des Pazifiks. Grafiken argo.net, Bearbeitung F.A.Z. Grafik heu.

Dafür hat man heute eine immer wieder erweiterte Roboterflotte zur Verfügung, welche die Weltmeere durchtaucht und dabei Daten liefert, die sich bis in unseren Alltag auswirken. So helfen sie zum Beispiel, Ozeanmodelle zu verbessern, integrale Komponenten moderner meteorologischer Modelle, die auch Wettervorhersagen zugrunde liegen. Vor allem aber haben die riesigen Wasserkörper der Meere erheblichen Einfluss auf die mittel- und längerfristigen Entwicklungen in der Atmosphäre, also auf das Klima.

Argo-Daten spielen daher auch eine wichtige Rolle im Spezialbericht „Ozean und Kryosphäre“, den der Weltklimarat IPCC am kommenden Mittwoch vorstellt. Gute Nachrichten sind nicht zu erwarten. Bei einer Erderwärmung von 1,5 Grad Celsius werden sehr wahrscheinlich 70 bis 90 Prozent der tropischen Riffe der Korallenbleiche zum Opfer fallen, bei zwei Grad praktisch alle. Verantwortlich dafür sind marine Hitzewellen (siehe „Klimaflucht in die Tiefsee“), verursacht durch Treibhausgase.

Gestartet wurde das Argo-Programm im Jahr 2000, aktuell sind 34 Länder direkt daran beteiligt. Fast 4000 Tauchbojen treiben mittlerweile vor allem in den großen Ozeanen. Durchschnittlich alle drei Breiten- und Längengrade ist ein Gerät unterwegs. Seinen Namen erhielt das Unternehmen als Partner eines Satellitenprogramms namens Jason, nach dem mythischen Chef der Argonauten. Diese Satelliten tasten den Meeresspiegel und dessen Veränderungen aus dem Weltall ab, und Argo verlängert diese Erkundung bis hinunter in die Tiefsee, wo kein Satellit hinschauen kann.

Wie zu Neumayers Zeiten geht es also um die wissenschaftliche Vermessung der Ozeane. Wenn man eine Argo-Tauchboje auf ihrer einsamen Reise begleiten könnte, würde man mit ihr zunächst tausend Meter in die Tiefe absinken und sich dort neun Tage mit der Strömung treiben lassen. In dieser Zeit schläft das Gerät und schont seine Batterie. Am zehnten Tag wacht Argo auf und taucht zunächst auf 2000 Meter Tiefe ab. Dort angekommen, steigt die Tauchsonde auf, während ihr Messkopf Daten über das von oben anströmende Wasser aufzeichnet. Diese Messrichtung sei wichtig, erklärt der Oldenburger Meeresforscher Oliver Zielinski, weil sie garantiert, dass die Sensoren auf ungestörtes Volumen treffen. Im Kielwasser der Boje würden Verwirbelungen Messfehler verursachen.

Die Standardausführung einer Argo-Einheit erfasst über den Wasserdruck die Wassertiefe sowie die Umgebungstemperatur und den Salzgehalt. Sobald sie aufgetaucht ist, funkt sie dieses Messprofil zweier Kilometer Wassersäule ins Satellitennetz. Die vierte Information, die sie dabei liefert, ist ihre aktuelle Position. Aus dem Vergleich mit der letzten Position zehn Tage zuvor wird die Richtung und Geschwindigkeit der Strömung in der Tiefe berechnet. Argo greift damit das alte Programm Georg von Neumayers auf, aber gewissermaßen einen Kilometer tiefergelegt. Vorgänge an den Meeresoberflächen sind schließlich heute fast lückenlos per Satellit erfassbar.

Warum nicht? Das französische Forschungsschiff, das hier eben eine Argo-Boje der „Arvor“-Bauform ausgesetzt hat, heißt „Pourquoi Pas?“ Foto: Olivier Dugornay Ifremer

Die globale Tiefensondierung öffnet ein neues Fenster ins Klimasystem der Erde. Sebastian Brune vom Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg vergleicht das Argo-Programm daher mit der Einführung der Wetterballone in die Meteorologie. Damals verschafften die Ballonsonden den zuvor am Boden klebenden Wetterfröschen endlich regelmäßig Messwerte aus den höheren Stockwerken der Atmosphäre, was erheblich zur Verbesserung der Wettervorhersagen beitrug. Brune selbst simuliert die Vorgänge in den Weltmeeren im Rahmen eines sogenannten Erdsystemmodells. Es verknüpft Prozesse im Wasser mit klimarelevanten Abläufen in der Atmosphäre und an Land. Um Veränderungen im Klima aufzuspüren, füttert man ein solches Modell mit historischen Vergleichsdaten. Die aber waren vor Argo spärlich, wie Brune anhand einer Weltkarte von 1957 demonstriert. Damals gab es Messungen der Meerwassertemperatur nur entlang des feinen Spinnennetzes der regelmäßig befahrenen Schifffahrtswege. Die riesigen Löcher in diesem Netz blieben unerfasst. Auf der vergleichbaren Karte für 2007 ist die Lage ganz anders: Die Weltmeere sind bereits gut abgedeckt, abgesehen von den Polargebieten und einigen Regionalmeeren. Mit über hunderttausend Messprofilen pro Jahr liefert Argo sozusagen ein Röntgenbild der Ozeane.

Eine noch bessere Erfassung der Meere war Thema auf einer Tagung deutscher Argo-Nutzer im Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie, wo Brune die erwähnten Karten zeigte. Birgit Klein hat diese Tagung organisiert. Die Ozeanographin ist seit 2008 so etwas wie die Mutter der deutschen Argo-Beteiligung. Ihre vierköpfige Gruppe ist für die derzeit 155 aktiven Argo-Bojen der Bundesrepublik verantwortlich, bis Ende dieses Jahres sollen es 180 sein. Diese tauchen dabei keineswegs nur durch Nord- und Ostsee. Vielmehr kümmert man sich in Hamburg um den Süden des Atlantiks, dessen hohen Norden und um Lücken anderswo in diesem Ozean. Deutsche Forschungsschiffe setzen die Bojen auf ihren Missionen abseits der Schifffahrtsstraßen ins Wasser. Ein- bis zweimal im Jahr checkt Kleins Gruppe via Satellit an jeder Boje den Zustand der Sensoren.


„Argo hat die Ozeanographie revolutioniert“,

sagt Birgit Klein und macht auf eine Besonderheit des Programms aufmerksam: Es gibt dafür keine zentrale Organisation. Alles beruhe auf einem gegenseitigen Einverständnis der beteiligten Länder und Institutionen, sagt sie. Trotzdem hat das Programm ein offizielles Siegel. Ein Aufkleber auf jeder Boje bezeugt ihre Zugehörigkeit zum weltweiten Klimaforschungsprogramm der Vereinten Nationen. Dies schützt die Wissenschaftler vor juristischen Schwierigkeiten für den Fall, dass eine Boje in die „ausschließliche Wirtschaftszone“ eines Landes driftet. Zugleich ist die Technik der Bojen auch ohne ein „Argo-Headquarter“ so standardisiert und kontrolliert, dass die Daten aller Bojen hohen und einheitlichen Qualitätskriterien genügen. Für die Klimaforschung ist das entscheidend, denn der Klimawandel zeigt sich vor allem in kleinen Veränderungen, die zuverlässig erfasst werden müssen.

Zu den weißen Flecken, die in Zukunft gefüllt werden sollen, zählen die Wassermassen unter dem arktischen Meereis. Denn sie gehören zu den treibenden Komponenten jenes globalen Systems von Meeresströmungen, zu dem auch der Golfstrom gehört, der das Klima in Mitteleuropa mitbestimmt. Daher sollen Argo-Sonden in Zukunft auch das Meer unter der Arktis durchtauchen können. Allerdings müssen sie für die harschen Bedingungen dort erst fit gemacht werden, wie Ingrid Angel Benavides aus Kleins Gruppe auf der Tagung ausführte. Die Boje muss zum Beispiel am Ende ihres Messzyklus erkennen können, ob es über ihrem Kopf eisfrei ist, bevor sie auftaucht. Stößt sie mit ihrer empfindlichen Antenne gegen das Eis, kann diese beschädigt werden. Eine polartaugliche Boje solle zukünftig über die Wassertemperatur erkennen können, ob sie sich unter Eis befindet, erklärt die Forscherin. Das Gerät kann dann wieder abtauchen und das aktuelle Messprofil speichern. Die zugehörige Position muss man nachträglich aus der Drift abschätzen. „Das ist aber immer noch viel besser, als keine Daten zu haben“, sagt Angel Benavides.

Der Einsatz von Argo soll auch auf andere Bereiche erweitert werden. Im Spezialprogramm DeepArgo wird an kugelförmigen Sonden gearbeitet, die bis zu sechs Kilometer tief tauchen können. Damit können sie in den meisten Meeresregionen die Tiefsee bis zu ihrem Grund erreichen. Und in einem biogeochemischen Spezialprogramm werden Argo-Tauchroboter mit den Sensoren aufgerüstet, die ihnen so etwas wie Geruchs- und Sehsinn verleihen. Damit lassen sich zum Beispiel Sauerstoffgehalt und Lichtfeld unter Wasser erfassen und damit die Lebensbedingungen der mannigfaltigen Meeresorganismen. Denn am Ende sind Ozeane nicht nur die Schwungräder der Klimamaschine unseres Planeten, sondern auch ein Teil der Biosphäre.


Nächstes Kapitel:

Hightech-Buddel




Hightech-Buddel

Von ROLAND WENGENMAYR

„Das Vierkanal-Radiometer“, sagt Oliver Zielinski und deutet auf ein Gerät am Messkopf der gelben Boje. Es macht den Tauchroboter gewissermaßen sehend. Es ist allerdings keine Kamera, sondern analysiert das Spektrum des Lichtfelds unter Wasser. „Und dieser Kanal erfasst hier die gesamte Lichtmenge, die zur Photosynthese zur Verfügung steht“, sagt der Leiter des Zentrums für Marine Sensorik in Wilhelmshaven, wo die Standardbojen des Argo-Systems mit weiterer Sensorik aufgerüstet werden. Aus dem Licht können die Meeresforscher auf die biologische Aktivität im Wasser schließen. Für die Klimafrage ist zum Beispiel wichtig, wie hoch der Anteil der Algen ist, die absinken und so Kohlenstoff im Tiefseeboden einlagern. Da dieser Kohlenstoff ursprünglich als Kohlendioxid aus der Luft ins Wasser gelangt ist, wirken die Algen dem Klimawandel entgegen. Wie groß dieser Effekt ist, muss jedoch noch genauer erforscht werden, und unter anderem dazu dienen die von Zielinskis Team aufgerüsteten Bojen.

Auf und nieder, immer wieder – solange die Batterie hält. argo.net, Bearbeitung F.A.Z. Grafik Kaiser

Etwa hunderttausend Euro kostet eine solche Spezialboje, weshalb jede davon auch nach dem Einsatz wieder geborgen wird. Bei den Standardbojen hingegen rechnet sich dies weder finanziell noch ökologisch. Wenn ein Schiff extra zum Aufsammeln viele Seemeilen anfahren muss, ist das zu teuer und generiert unangemessen viel Treibhausgas. Deshalb sind heutige Bojen so programmiert, dass sie am Ende ihres vier- bis sechsjährigen Lebens, wenn die Batterien erschöpft sind, in die Tiefsee absinken. „Der Trend geht jedoch dahin, die Argo-Bojen langlebiger zu machen“, sagt Zielinski.

Der Forscher kauft seine Argo-Bojen bei einem der Handvoll Hersteller fertig ein und rüstet sie dann auf. Sie sind auf extreme Robustheit ausgelegt. Einmal ausgesetzt, müssen sie schließlich so zuverlässig funktionieren wie Raumsonden. Der Tauchmechanismus ist auf minimalen Energieverbrauch optimiert. Argo hat dazu unten im Fuß eine Gummiblase. Soll die Boje aufsteigen, pumpt sie Hydrauliköl aus einem Drucktank in diese Blase und vergrößert darüber Argos Verdrängungsvolumen im Wasser. Will sie abtauchen, presst sie das Öl umgekehrt zurück in den Drucktank. Dort befindet sich oben eine komprimierbare Luftblase, die es erlaubt, dass sich der Pegel des inkompressiblen Öls auf und ab bewegen kann. Das Pumpen erledigt ein Elektromotor über einen Spindelantrieb wie bei einer alten Weinpresse. „Das Clevere daran ist, dass der Antrieb nur sehr kleine Ölmengen pumpen muss, um den Auftrieb wirksam zu beeinflussen“, sagt Zielinski.

Robust wie eine Raumsonde. argo.net, Bearbeitung F.A.Z. Grafik Kaiser

Immerhin muss die Technik auch noch in 2000 Meter Tiefe funktionieren, wo 200 bar Druck herrschen. Alle Bestandteile der Argo-Boje müssen diesem zweihundertfachen Atmosphärendruck über mindestens 150 Messzyklen standhalten. Beim Auftauchen pumpt sich der Kopf des Geräts zusätzlich mit der Luft aus dem Drucktank auf, um die Wasseroberfläche ausreichend hoch zu durchstoßen. Ein Ring stabilisiert die senkrecht stehende Boje gegen zu starkes Schaukeln in den Wellen. Das ist wichtig für ein ungestörtes Senden des jüngsten Messprofils.

Einer der gerade für die Boje sichtbaren Satelliten empfängt das Funksignal. Früher gehörten sie zum Argos-Kommunikationssystem, mit dem auch besenderte Zugvögel verfolgt werden; seit einigen Jahren ist es das leistungsfähigere Iridium-Satellitensystem, das es auch erlaubt, umgekehrt der Boje Daten zu senden. Die Messdaten gehen zu einem der beiden Argo-Zentren im bretonischen Brest oder in Monterey in Kalifornien. Dort werden sie zunächst automatisch auf Qualität geprüft und veröffentlicht, dann schaut noch mal ein menschlicher Experte drauf.

Quelle: F.A.S.