Die Ozeane sind der größte, wildeste und am wenigsten verstandene Teil des Planeten. Aber wir lernen sie jeden Tag besser kennen, dank einer Vielzahl von Technologien, die die Tiefen auf neue und erfinderische Weise ausloten.
Einige Forscher fangen Dinge aus dem Meer ein und transportieren sie ins Labor, um sie im Detail zu untersuchen; andere manipulieren die Ozeane mit neuartigen Sensoren und Geräten oder untersuchen sie mit Algorithmen. Zusammen bieten diese Ansätze völlig neue Einblicke in die Unterwasserwelt zu einer Zeit, in der es noch nie so wichtig war, das Innenleben der Ozeane zu entschlüsseln.
Von Korallenriffen bis hin zu tief lebenden Quallen – die Bewohner der Ozeane sind größeren Bedrohungen durch menschliche Aktivitäten ausgesetzt als je zuvor. Die Meere sind verschmutzt und überfischt, Meereslebensräume werden zerstört und neue Auswirkungen – wie der Tiefseebergbau – nähern sich schnell.
Es wird auch immer deutlicher, wie entscheidend die Ozeane für das übrige Leben auf der Erde sind. Diese riesigen, sich ständig verändernden Gewässer spielen eine entscheidende Rolle für Wetter- und Klimasysteme, bieten Nahrung und Lebensgrundlage für die menschliche Bevölkerung auf der ganzen Welt und beherbergen große Schwaden unbekannter Artenvielfalt. Um das Leben auf diesem Planeten zu verstehen und zu schützen, müssen wir auf die Ozeane blicken.
Virtuelle E-Riffbauer
Vor nicht allzu langer Zeit untersuchten Meeresbiologen Korallenriffe hauptsächlich, indem sie etwa eine Stunde am Stück tauchten und auf wasserfesten Tafeln notierten, was sie sahen. Jetzt können sie während eines einzigen Tauchgangs Fotos machen, die zu einer komplizierten, dreidimensionalen Ansicht des Riffs zusammengefügt werden können.
„Es ist virtuelle Realität unter Wasser“, sagt Prof. Stuart Sandin, Meeresbiologe an der Scripps Institution of Oceanography, UC San Diego. „Es fühlt sich an, als würde man eintauchen.“
Mithilfe eines Systems mit zwei Kameras, die in unterschiedlichen Winkeln angebracht sind, schwimmt ein Taucher ein Riff auf und ab, als ob er „den Rasen mähen“ würde. Etwa 3.000 Bilder, die von einem 10 x 10 m großen Standardgrundstück aufgenommen wurden, werden dann per Computer analysiert, wobei eine Technik verwendet wird, die als „Structure from Motion“ bekannt ist.
Das Ergebnis für ein 10 x 10 m großes Grundstück ist ein dreidimensionales digitales Modell des Riffs, das aus einer Milliarde farbiger Punkte besteht.
Die Technik, für deren Entwicklung Sandin in Zusammenarbeit mit Teams aus Informatikern und Ingenieuren Jahre brauchte, wird nun weltweit eingeführt.
Bisher wurden 30 Hektar Riff kartiert, was Dutzenden von Stadtblöcken mit einer Auflösung von einem Millimeter entspricht. Neben der Erzeugung atemberaubender Unterwasseransichten können alle möglichen wertvollen Informationen aus diesen E-Riffen extrahiert werden.
An der Boston University zeichnet die Studentin Coretta Granberry auf einem digitalen Tablet akribisch die Umrisse einzelner Korallen nach, damit sie ihre Flächen berechnen und im Laufe der Zeit vergleichen kann. „Man bekommt ein sehr detailliertes, intimes Bild des Riffs und wie alles miteinander verbunden ist“, sagt sie.
Die Korallen, die sie untersucht, wachsen Tausende von Kilometern entfernt auf den Phoenix-Inseln mitten im Pazifik. Ihr Professor, Dr. Randi Rotjan, führt alle drei bis fünf Jahre Expeditionen zu diesen extrem abgelegenen Riffen durch. „Da draußen sind die Menschen, die Ihnen am nächsten stehen, auf der Internationalen Raumstation“, sagt Rotjan.
Diese isolierten, geschützten Inseln zeigen, wie Riffe auf steigende Meerestemperaturen reagieren. „Wenn Sie die Riffe lokal in Ruhe lassen, wie werden sie dann aussehen, wenn der globale Wandel der einzige Stressfaktor ist?“ sagt Rotjan.
Ausgestattet mit Bildern, die 2012 und 2015 von denselben Grundstücken aufgenommen wurden, werden Granberry und ihre Kollegen verfolgen, wie sich die einzelnen Korallen auf den Phoenix-Inseln verändern, um zu sehen, ob sie schrumpfen, wachsen oder von etwas anderem überwuchert werden.
Als Zeitkapseln werden E-Reefs es Wissenschaftlern in Zukunft ermöglichen, die Uhr zurückzudrehen und neue Fragen zu beantworten, die niemand vorhersehen kann. „Sie erforschen im Wesentlichen in vier Dimensionen“, sagt Sandin.
E-Riffe sind auch ein leistungsstarkes Werkzeug, um zu zeigen, wie die Riffe derzeit aussehen. „Sie sehen, wie die Augen aller leuchten, von den erfahrensten Wissenschaftlern über Politiker und Gemeindevorsteher bis hin zu Kindern“, sagt Sandin.
Dies ist besonders wichtig im Schutzgebiet der Phoenix-Inseln, wo die Einheimischen von Kiribati, die die Schutzbemühungen vorangetrieben haben, zu weit entfernt leben, um die Riffe auf dem riesigen Archipel zu besuchen. „E-Reefs werden zum Mechanismus, um den Menschen im Land zu zeigen, was sie schützen und warum“, sagt Rotjan.
Klimawandelprädiktoren
Zwischen Schottland, Grönland und der Ostküste Kanadas erstreckt sich eine Reihe von Unterwassersensoren über mehr als 3.000 Kilometer. Prof. Penny Holliday vom britischen National Oceanography Centre beschreibt die Anordnung als Lattenzaun.
Sie ist die britische Hauptforscherin von OSNAP, dem Overturning of the Subpolar North Atlantic Programme, das 2014 die 58 Sensoren installierte. Jeder Sensor besteht aus einer riesigen, luftgefüllten Kugel, die sich nahe der Meeresoberfläche befindet.
Die Kugel wird Tausende Meter unter der Erde über eine Festmacherleine am Meeresboden befestigt. Der Auftrieb des Balls hält die Festmacherleine aufrecht, und entlang der Länge der Leine befinden sich verschiedene Instrumente, die die Wassertemperatur und den Salzgehalt sowie die Geschwindigkeit und Richtung der vorbeifließenden Strömungen messen. Ziel ist es, den subpolaren Wirbel zu überwachen, bei dem es sich um einen massiven Strom warmen Wassers handelt, der gegen den Uhrzeigersinn über den Nordatlantik wirbelt.
Der Wirbel gibt Wärme an die Atmosphäre ab, die über Großbritannien und Europa fließt. „Das hält uns warm“, sagt Holliday. Wir können diesen Effekt sehen, indem wir die Temperaturen in Großbritannien oder Europa mit dem gleichen Breitengrad in Kanada vergleichen. Der Unterschied wird durch die Wärme verursacht, die uns durch diese großräumige Ozeanzirkulation zugeführt wird.
Der subpolare Wirbel des Atlantiks ist Teil eines globalen Prozesses, der als „umkippende Zirkulation“ bezeichnet wird. Dabei fließt warmes, flaches Meerwasser von den Tropen zu den Polen, wo es allmählich abkühlt, dichter wird und absinkt, um dann wieder zurück in die Tropen zu fließen.
Es spielt eine Schlüsselrolle in Klimamodellen und verteilt Wärme und Kohlenstoff auf dem Planeten, aber im Nordatlantik ist es nicht gut verstanden. Bis zur Installation des Arrays hatten die Wissenschaftler keine Ahnung, wie stark die Umwälzzirkulation in diesem Breitengrad war oder wie sie sich im Laufe der Zeit veränderte.
Aus den Daten der ersten Jahre haben Holliday und ihr Team begonnen, sie in den Griff zu bekommen. „Alleine diese [ersten] Zahlen zu bekommen, fühlt sich wie ein großer Schritt nach vorne an“, sagt sie. „Das Interessante, was wir gefunden haben, ist, wie variabel es ist.“
Sie erkannten auch, dass sie sich geirrt hatten, als sie annahmen, dass der wichtigste Ort für die umkippende Zirkulation zwischen Kanada und Grönland in der Labradorsee lag. Tatsächlich liegt das Zentrum des Geschehens zwischen Grönland und Schottland. „Das klingt nicht sehr aufregend, ist aber wichtig für die Art und Weise, wie wir Klimamodelle interpretieren und Vorhersagen über den Klimawandel machen“, sagt sie.
Das OSNAP-Array wird bis mindestens 2024 bestehen bleiben, um den Wirbel weiter zu überwachen und das Vertrauen in zukünftige Vorhersagen zum Klimawandel zu stärken. Das Team von Holliday baut außerdem neue Geräte zur Messung des Sauerstoffgehalts ein.
„Eine der großen Fragen der Welt ist derzeit die Frage, ob der Ozean und einige Schelfmeere Sauerstoff verlieren“, sagt sie. „Wir können auf diesem Array aufbauen, das für einen anderen Zweck entwickelt wurde, um zusätzliche Informationen zu erhalten, was wirklich aufregend ist.“
Tiefseekuratoren
Durch die Tiefsee schwimmen unzählige komplizierte, gallertartige Tiere, die äußerst schwer zu studieren sind. Sie sind transparent und so empfindlich, dass sie leicht auseinanderfallen, wenn sie sich in Netzen verfangen. Aber jetzt hat ein Team des Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) in Kalifornien eine neue Betrachtungsweise entwickelt.
Dr. Kakani Katija, Chefingenieurin von MBARI, hat die DeepPIV (Particle Imaging Velocimetry) entwickelt. Das an einem Tieftauchroboter befestigte Gerät verwendet eine Laserplatte, um 3D-Scans von transparenten, komplizierten Tieren in ihrer natürlichen Umgebung zu erstellen.
Katijas erste Ziele waren 10 cm lange, kaulquappenartige Tiere, sogenannte Riesenlarven, die komplexe Schleimstrukturen bilden, um Meerwasser nach winzigen Nahrungspartikeln zu filtern. Der faustgroße Filter des Tieres sieht ein bisschen aus wie ein Paar geriffelte Engelsflügel. „Aus technischer Sicht sind dies einige der erstaunlichsten Bauwerke, die mir je begegnet sind“, sagt Katija.
Ihr Team im Bioinspiration Lab von MBARI verwendete DeepPIV, um die innere Form eines Larvenfilters zu scannen, und verfolgte auch Partikel, während das Tier mit dem Schwanz schlug und Wasser einsaugte. Diese Informationen helfen ihnen herauszufinden, wie die Filter funktionieren und wie die Tiere sie bauen.
DeepPIV hat bereits gezeigt, dass Larven 80 Liter Wasser pro Stunde filtern und Unmengen an kohlenstoffreicher Nahrung aufnehmen. Wenn sie verstopft sind, werfen die Larven ihre Filter ab, die dann sinken und so den Ozeanen helfen, Kohlenstoff in die Tiefe zu transportieren. Tatsächlich kommen Larven in den Ozeanen so häufig vor, dass sie eine wichtige Rolle im Kohlenstoffkreislauf spielen.
Andere Forscher sind an der Nutzung von DeepPIV interessiert, darunter auch Menschen, die die Möglichkeiten zur Erforschung des Ozeans überdenken. „Diese 3D-Visualisierungstechniken in Verbindung mit der DNA-Extraktion können ausreichen, um das Leben zu beschreiben und zu katalogisieren“, sagt Katija.
Anstatt tote Tierexemplare zu sammeln und zu konservieren – was für empfindliche, gallertartige Lebensformen besonders schwierig ist – könnten Museen in Zukunft 3D-Scans als digitale Archive verwenden, um dabei zu helfen, bisher unbekannte Arten zu beschreiben und das Leben in den riesigen Tiefsee zu dokumentieren.
Suchen und retten
Wenn jemand auf See vermisst wird, werden Such- und Rettungspläne normalerweise anhand von Daten zu Wetter, Strömungen und Wasserbedingungen erstellt, um seine wahrscheinliche Flugbahn vorherzusagen. Das Problem ist, dass sich Fehler schnell ansammeln können, bis der vorhergesagte Weg weit von dem entfernt ist, was tatsächlich auf See passiert.
Ein neuer Algorithmus könnte die Chancen verbessern, Menschen zu lokalisieren, indem er nicht ihre Flugbahn vorhersagt, sondern wo sie landen werden. Der Algorithmus analysiert Stärke und Richtung von Meeresströmungen, Wellen und Oberflächenwinden und identifiziert in Echtzeit die als TRAPs (TRansient Attracting Profiles) bezeichneten Regionen des Ozeans, in denen schwimmende Objekte wahrscheinlich zusammenlaufen.
Dr. Mattia Serra, heute Schmidt Science Fellow in Harvard, entwickelte den Algorithmus während seiner Promotion bei Prof. George Haller an der ETH Zürich. Er vergleicht TRAPs mit einem Tisch, auf dem ständig Magnete auftauchen, verschwinden und sich bewegen.
„Dann wirf eine Münze auf den Tisch“, sagt er. „Die Flugbahn der Münze ist sehr chaotisch, weil sie den Einfluss all dieser Magnete spüren wird.“ Der Tisch ist die Meeresoberfläche, die Magnete sind TRAPs und die Münze ist eine treibende Person.
Bei Tests wurde festgestellt, dass der Algorithmus in der turbulenten See vor der Küste von Massachusetts gut funktioniert. Das Team unter der Leitung von Prof. Thomas Peacock vom MIT verwendete eine Momentaufnahme der lokalen Bedingungen, um das Verhalten des Ozeans zu modellieren und zu lokalisieren, wo sich die TRAPs wahrscheinlich bilden.
Dann simulierten sie eine Such- und Rettungsmission und warfen Bojen und Puppen ins Meer, die jeweils einen GPS-Tracker trugen. Wie vorhergesagt drifteten die Objekte in Richtung der identifizierten TRAPs.
Serra und seine Kollegen diskutieren nun die Möglichkeit, dass die US-Küstenwache den Algorithmus bei Such- und Rettungsaktionen einsetzt. Der Algorithmus könnte auch verwendet werden, um die Bewegungen von Ölverschmutzungen genauer vorherzusagen.
Mikroplastik-Detektoren
Um das wachsende Problem der Plastikverschmutzung in den Ozeanen anzugehen, ist es wichtig zu wissen, wo sich Plastik befindet, wohin es sich bewegt und woraus es besteht – insbesondere aus Mikroplastik. Diese winzigen Kunststoffpartikel sind kleiner als 5 mm und können schwer zu finden sein.
„Im Moment muss man Proben nehmen, wenn man die Verteilung von Partikeln in der Tiefsee wissen will“, sagt Dr. Tomoko Takahashi, Postdoktorandin bei der Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC).
Das kostet Zeit, entweder mit Netzen oder Wasserflaschen, die auf ein Schiff gehievt und zur Laboranalyse geschickt werden müssen. Forscher der University of Southampton, der University of Aberdeen, JAMSTEC und der University of Tokyo entwickeln einen Prototyp eines Partikeldetektors, der den Prozess bald automatisieren und dabei helfen könnte, Kunststoffe sowie andere winzige Partikel – natürlich oder von Menschenhand – zu überwachen die Tiefsee.
Ihr Gerät besteht aus einer 20 cm großen Kammer, an der Meerwasser entlangfließt. Die Kammer enthält einen einzelnen Laser, und wenn ein Partikel vorhanden ist, streut er das Laserlicht und erzeugt ein hochauflösendes holografisches Bild. Dies kann helfen, das Partikel zu identifizieren, sei es Plastik oder Plankton.
Derselbe Laser analysiert auch die chemische Zusammensetzung des Partikels mit einer Methode namens Raman-Spektroskopie. In Tests hat das Gerät erfolgreich zwischen 3-mm-Pellets aus Polystyrol und Acryl unterschieden.
Das ultimative Ziel des Teams ist die Herstellung eines vollautomatischen Geräts, das die Ozeane kontinuierlich überwachen könnte. Die Partikeldetektoren, die an Schwimmern oder Segelflugzeugen befestigt sind, die über den Ozean fahren und Daten sammeln, könnten monatelang oder sogar jahrelang eingesetzt werden und Informationen über die Art und Menge von Kunststoffen und anderen Partikeln durch die Ozeane zurückstrahlen.
- Dieser Artikel erschien zuerst in Ausgabe 353 des BBC Science Focus Magazine –