Dies ist Post 3/3 in einer Reihe über unsere Erfahrungen und Aufgaben als ArcTrain-Doktoranden während der Forschungsfahrt M164 (GPF 19-1-105) im Sommer 2020 im subpolaren Nordatlantik. Hier geht es zu Teil 1/3 und hier zu Teil 2/3.
Es ist kurz nach Mitternacht. Rund um das Schiff herrscht überall Dunkelheit, und Nebel zieht auf. Mehrere Menschen befinden sich auf der Schiffsbrücke und warten darauf, dass in dieser ruhigen Nacht in der schier endlosen Weite des Nordatlantiks ein blinkendes Licht auftaucht. Zwei Personen stehen auf dem kalten und windigen Oberdeck, um ein Funksignal von unserem PIES-Instrument (Pressure Inverted Echo Sounder) zu empfangen, sobald es die Oberfläche erreicht (siehe unseren letzten Blog-Beitrag von Simon, um die PIES kennenzulernen). Es könnte überall durch die Meeresoberfläche brechen, so weit das Auge reicht und darüber hinaus. Aber während andere in die dunkle Nacht starren, sitze ich vor einem Computermonitor und beobachte Live-Daten des Nordatlantikstroms, wie die Ausdehnung des Golfstroms im Nordatlantik heißt, der unter dem Schiff dahinbraust. An unserer aktuellen Position zeigt der Nordatlantikstrom mit einer Geschwindigkeit von einem Meter pro Sekunde nach Nordosten. Ich leite die aktuellen Informationen an die Brücke weiter und spüre, wie sich die Position des Schiffes ändert und ein leichtes Rollen einsetzt. Das Gerät, auf das alle warten, saß über ein Jahr lang in einer Tiefe von etwa 4000 Metern auf dem Meeresboden. Da es langsam an die Oberfläche steigt, müssen wir berücksichtigen, dass es sich mit der Meeresströmung darunter bewegt und möglicherweise an einer anderen Position erscheint als die an der es vorher ins Wasser gesetzt wurde.
Das Rollen des Schiffes hat aufgehört und der Bug des Schiffes zeigt jetzt in Richtung Südwesten, genau in die entgegengesetzte Richtung des Nordatlantikstroms an unserer Position. Wenn die Geschwindigkeitsdaten, die ich auf dem Monitor sehe, korrekt sind, soll das Messgerät in nur geringer Entfernung direkt vor dem Schiff auftauchen und mit der Strömung in Richtung unseres Schiffes treiben. Die Gegensprechanlage des Schiffes summt, und ich kann die Stimme des diensthabenden Offiziers hören: „Kontakt, direkt voraus. Entfernung, eine Meile.” Die Meeresströmung transportierte das Gerät genau dorthin, wo ich es vorhergesagt hatte. Dies war das letzte der acht PIES-Instrumente, die wir während dieser Forschungsfahrt geborgen haben. Alle Bergungen waren, nicht zuletzt aufgrund unserer Live-Überwachung der Meeresströmung unter dem Schiff, erfolgreich, um ihre Position beim Erreichen der Oberfläche vorherzusagen. Aber wie können wir die Meeresströmungen überhaupt messen, und warum ist das für uns alle so wichtig?
Benjamin Franklin, einer der Gründerväter der Vereinigten Staaten, Schriftsteller, Philosoph, Politiker und Diplomat, war ebenfalls Wissenschaftler. Und in dieser Rolle ist er mit einem der Hauptthemen verbunden, die Klimaforscher*innen noch heute untersuchen: dem Golfstrom und dem Nordatlantikstrom, der erstmals 1769 von Benjamin Franklin und seinem Cousin Timothy Folger kartiert wurde. (Folgen Sie diesem Link zur Franklin-Folger Karte des Golfstrom.) Heute wissen wir, dass diese Karte des Golfstroms nur einen Teil des Strömungssystems zeigt. Franklin skizzierte die Meeresströmung als ein eng begrenztes Areal, das bis in die Mitte des Nordatlantiks reicht. Daher ist die Meeresströmung im Zentrum des Nordatlantiks weniger begrenzt, vielmehr mäandert sie und erstreckt sich über eine größere Entfernung. Die Strömung wird nicht mehr Golfstrom sondern Nordatlantikstrom genannt. Sie transportiert warmes und salzhaltiges Wasser vom subtropischen Nordatlantik in den nordöstlichen Teil des Atlantiks und sogar in den Arktischen Ozean. Auf seinem Weg gibt sie Wärme an die Atmosphäre ab und ist daher einer der Hauptgründe für das milde Klima in Europa, das beispielsweise in Paris und Neufundland zu einem völlig anderen Klima führt, obwohl beide ungefähr auf dem gleichen Breitengrad liegen.
Wenn die Meeresströmungen das Wasser nur nach Norden transportieren, würde der Meeresspiegel im nördlichen Teil des Atlantiks steigen und im südlichen Teil fallen. Um diesen nordwärtigen Transport des Nordatlantikstroms zu kompensieren, gibt es auch einen Strom, der Wasser nach Süden transportiert. An der Westgrenze des Atlantiks wird Wasser innerhalb des Labradorstroms und des westlichen Randstromes nach Süden transportiert. Der Nordatlantikstrom, der Labradorstrom und der westliche Randstrom sind Teil der globalen Ozeanzirkulation, die die Wärme im gesamten Weltozean umverteilt.
Das Messen und Verstehen des nach Norden fließenden Nordatlantikstroms und des nach Süden fließenden westlichen Randstromes ist eines der Ziele der Forschungsfahrt M164 (GPF 19-1-105) an Bord des deutschen Forschungsschiffs Meteor, an der ich im Rahmen meiner Doktorandenausbildung in der internationalen Graduiertenschule ArcTrain teilnehmen konnte. Im Sommer 2020 überquerten wir den Atlantik von Ost nach West (und wieder zurück) auf dem ungefähren Breitengrad von Paris in Europa und Neufundland in Nordamerika (~47°N).
Franklins Forschung basierte auf Beobachtungen von Seeleuten, die das Wissen über die Oberflächenströmungen nutzten, um auf ihrem Weg von der Ostküste Nordamerikas nach Europa schneller zu sein. Der Golfstrom und der Nordatlantikstrom sind solche Oberflächenströme. Heutzutage wird die Stärke eines Meeresstromes nicht mehr anhand unterschiedlicher Schiffsgeschwindigkeiten geschätzt, sondern mit einem Instrument namens Acoustic Doppler Current Profilers (ADCP, akustischer Doppler Strömungsmesser). ADCPs messen die Meeresströmungen über den Doppler-Effekt. Ein berühmtes Beispiel für den Doppler-Effekt ist ein Krankenwagen mit eingeschalteter Sirene. Wenn sich der Krankenwagen auf die beobachtende Person zubewegt, hat der Klang der Sirene eine höhere Frequenz (die Schallwellen werden zusammengedrückt). Wenn sich der Krankenwagen entfernt, hat der Klang eine niedrigere Frequenz (die Schallwellen werden gedehnt). Infolgedessen kommt es zu einer Frequenzverschiebung, und diese Doppler-Verschiebung wird bei Verwendung von ADCPs ausgenutzt. Das ADCP sendet ein akustisches Signal, einen Ping mit einer definierten Frequenz. Dieses Signal wird von winzigen Partikeln im Wasser reflektiert, die passiv mit der Meeresströmung treiben. Beim Empfang des Echos des reflektierten Pings wird die Strömungsgeschwindigkeit aus der Doppler-verschobenen Frequenz berechnet.
Während unserer Forschungsfahrt haben wir die ADCPs mit zwei verschiedenen Anordnungen verwendet, die parallel arbeiten. Erstens haben wir zwei ADCPs direkt im Schiffsrumpf montiert (und ja, wenn die Instrumente entfernt werden, haben wir ein Loch im Schiffsrumpf, also Vorsicht!). Zusätzlich verwendeten wir ein System aus zwei ADCPs, die zusammen mit dem großen Wasserkranzschöpfer bis auf wenige Meter über dem Meeresboden abgesenkt werden. Ein Gerät schaut nach unten und das andere nach oben. Auf diese Weise erhalten wir ein vertikales Profil der horizontalen Geschwindigkeiten. Die direkt im Schiffsrumpf montierten ADCPs liefern zu jedem Zeitpunkt während der Forschungsfahrt Daten über die aktuelle Geschwindigkeit, sind jedoch in ihrem vertikalen Bereich begrenzt und können nicht über eine bestimmte Tiefe hinaus messen (maximal 700-1200 Meter). Die abgesenkten ADCPs (lADCPs) messen ein kontinuierliches Profil der Strömungen im Ozean von der Oberfläche bis zum Boden.
Meine Aufgabe während der Forschungsfahrt war es sicherzustellen, dass das System der beiden abgesenkten ADCPs erfolgreich betrieben wird und qualitativ hochwertige Daten liefert. Dies beinhaltete das Auswechseln der Batterien des Geräts nach einer bestimmten Laufzeit und die regelmäßige Überprüfung aller elektrischen Kabel, Verarbeitung aller erhaltenen Rohdaten und Identifizierung von Fehlern, die sofort behoben werden mussten. Um einen ersten Blick auf die Geschwindigkeitsstruktur entlang unserer Fahrtroute zu werfen, habe ich die gemessen Daten verarbeitet und visualisiert. Zusätzlich analysierte ich, wie oben beschrieben, die Richtung und Stärke der Meeresströmung, wie sie während der Bergungen verschiedener Instrumente vorherrschten. Dies half, die Position der zu bergenden Instrumente besser vorherzusagen, wenn sie die Meeresoberfläche erreichten.
Insgesamt haben wir den Wasserkranzschöpfer einschließlich der lADCPs während unserer Forschungsfahrt auf 126 Stationen eingesetzt. Wir konnten den Nordatlantikstrom identifizieren, die Verlängerung von Franklins Golfstrom im Nordatlantik, der warmes und salzhaltiges Wasser nach Nordosten transportiert, und den westlichen Tiefenstrom, der kaltes und frisches Wasser nach Süden transportiert. Mit der Kenntnis der Geschwindigkeiten und der genauen Richtung der Strömungen im Nordatlantik können Kolleg*innen aus meiner Arbeitsgruppe den Gesamttransport von Volumen, Wärme und Salz berechnen. Diese Messungen sind insbesondere in Zeiten des Klimawandels wichtig und dienen als wichtige Referenz für die Projektion der Zukunft des Nordatlantiks und des gesamten Weltklimas in Ozean- und Klimamodellen. Aber das ist eine andere Geschichte.