8. Februar bis 15. Februar 2009

Die letzte Woche verbrachten wir damit, die Bewegungen der im Zentrum des Wirbels ausgesetzten beiden Bojen mit Besorgnis zu verfolgen. Deren exakte Position kann fast in Echtzeit auf der Internetseite des Herstellers überwacht werden. Die Bojen sind speziell entwickelt worden, um Bewegungen des Oberflächenwassers zu markieren. Sie bestehen aus einem geschlossenen Metallball von 40 cm Durchmesser, der tief im Wasser liegt, um nicht vom Wind geschoben zu werden. Ihre Position in der Oberfläche ist durch einen Treibanker bestimmt, der an der Boje mit einem dünnen Draht befestigt ist. Der Treibanker besteht aus 7 m langen, dünnen Kunststoffsegeln, die die Boje in 30 m Tiefe „verankern“. Die beiden Bojen wurden 3 km voneinander entfernt ausgesetzt wobei die nördliche der beiden während der Düngung des Flecks als Zentrum diente. Wir gingen davon aus, dass sie für die Dauer des Wirbels wenig verdriften würden, da sie sich im strömungsarmen Zentrum befanden. Allerdings hatten wir nicht mit dem Transportpotenzial einer scheinbaren Kraft gerechnet, die als Trägheitsoszillation bekannt ist. Sie offenbarte unseren besorgten Augen ihre Anwesenheit durch kreisende, aber stetig nordwärts gerichtete Bewegungen der Bojen.

Diese Kraft überträgt Windenergie in kreisenden Bewegungen der Ozeanoberfläche mit einer Periode von 16 Stunden in unseren Breitengraden, jedoch in Drehungen gegen den Uhrzeigersinn, da wir uns in der Südlichen Hemisphäre befinden. Diese zeigte sich in den ersten Kreisen, die die Bojen vollführten. Die Trägheitsoszillation wird von der im Uhrzeigersinn ausgerichteten Rotationsrichtung unseres Wirbels überlagert und kann bei starken Strömungen komplett verdeckt werden. Die Bojen kreisten zuerst langsam nordwärts bis sie das Band der schnellen Strömungen erreichten, das unseren Wirbel in seiner Position hält. Diese Strömung lenkte ihre Bewegung nach Osten, dann nach Süden ab (obwohl wir es erwartet hatten, waren wir erleichtert, als es tatsächlich passierte). Schließlich gelangten sie so an ihre derzeitige Position, von wo aus sie sich langsam in Richtung Westen und damit zurück in den geschlossenen Kern des Wirbels bewegen. Wir befürchteten, die äußere Flanke des Flecks könne möglicherweise an dem schnellen Strömungsband „hängenbleiben“, aus dem Zentrum des Wirbels heraus gezogen werden und in Filamente zerfransen. Aber zum Zeitpunkt des Schreibens dieses Wochenberichtes scheint es, als wäre das nicht passiert. Die Bojen bewegen sich kaum und so nah zusammen wie eh und je, da die nordwärts gerichtete Initialoszillation von dem umgebenden Strömungsfeld ausgeglichen wird. Daraus resultiert die Streckung des einst kreisrunden Flecks in nord-südliche Richtung. Diese Ergebnisse sind als solche schon interessant und sie tragen außerdem zum besseren Verständnis kleinskaliger Durchmischungsprozesse bei, in diesem Fall von Wassermassen des Zirkumpolarstroms, auf ihrem Weg um die Antarktis, bevor sie entlang seiner nördlichen Grenze in den tiefen Ozean untertauchen.

Am Wochenende warnte uns unser Meteorologe, dass der Ausläufer eines starken Sturms im Süden bald unser Gebiet als Band starker Winde überqueren würde. So brachen wir die Scanfish-Kartierung des Flecks ab und verbrachten die ersten Tage der letzten Woche auf der Flucht nach Norden. Dies war eine willkommene Pause von der harten Arbeit in den Tagen zuvor, in welchen wir eine Station nach der anderen durchgezogen hatten. Hätten wir den Sturm im Wirbel ausgehalten, hätte aufgrund der mächtigen Wellen niemand arbeiten oder schlafen können. Der Wind blies uns nach Osten, deshalb fuhren wir, nachdem er genügend abgeschwächt war, in Richtung Süden zu dem roten Wirbel (mit warmem Kern), der an unseren im Osten grenzt. Im Zentrum dieses benachbarten Wirbels, der sich im Gegensatz zu unserem gegen den Uhrzeigersinn dreht (siehe Bild im ersten Bericht), setzten wir eine Boje aus, um zu sehen, wie er auf Initialoszillation reagiert. Danach wendeten wir uns unserem Wirbel zu und steuerten die Bojen in Ost-Nord-Ost-Kurs an. Sie hatten zu unserer großen Erleichterung inzwischen angefangen, sich in westliche Richtung zu bewegen, d.h. sie kehrten ins Zentrum des Wirbels zurück. Ungefähr eine Stunde bevor wir sie erreichten, stieg die photosynthetische Effizienz (angegeben im FRRF) drastisch an: wir hatten die Schwelle zu unserem gedüngten Fleck überquert. Obwohl klar war, dass der Fleck dort sein musste und das Phytoplankton weiterhin auf die Düngung mit steigender photosynthetischer Effizienz antworten würde, ist es immer ein Moment von großer Freude und Erleichterung wenn man nach mehreren Tagen der Abwesenheit wieder den Fleck findet.

Um sicher zu gehen, dass die Zwillingsbojen noch zentral im Fleck positioniert waren, fuhren wir zwischen ihnen hindurch und setzten unseren Weg bis zum anderen Ende des Flecks fort, das sich durch rasches Abfallen der Fv/Fm-Raten nach einigen Meilen anzeigte. Anschließend kehrten wir zu den Bojen zurück und führten dort die nächste lange In-Station durch – eine Woche nach der Düngung. Die Chlorophyll-Konzentrationen waren signifikant angestiegen, was erkennen ließ, dass die Phytoplanktonzellen das erhaltene Eisen in die Produktion dieses für die Biosphäre zentralen Moleküls investierten. Da das erneute raue Wetter uns davon abhielt, weitere Stationsarbeit zu tun, führten wir einen Ost-West-Transekt mit 8 km Abstand durch und bewegten uns dabei nordwärts. So kartierten wir die äußeren Grenzen unseres Flecks mittels FRRF und SF6-Messungen. Nachdem wir das großskalige Gitter vervollständigt hatten, legten wir ein kleineres Gitter mit Abständen zwischen den Schnitten von nur 3 km auf dem Fleck, um kleinskalige Konzentrationsgefälle innerhalb und Vermischungen an den Rändern zu erfassen. Das Wetter hatte sich inzwischen beruhigt, so dass wir eine weitere In-Station unmittelbar neben den Bojen nahmen, nachdem wir sicher waren, dass sie sich innerhalb des Flecks befanden. Sie bewegten sich nun in westlicher Richtung und wir verfolgten ihre Spur in den 20 Stunden der Station. Allerdings waren wir konsterniert als sich während der Stationsarbeit herausstellte, dass der Fleck ihnen nicht folgte. Deshalb war die Station nicht repräsentativ für den Fleck und demnach verschwendeter Aufwand.

Wieder fuhren wir Transekte, um den Fleck zu lokalisieren und fanden heraus, dass er sich nach Süden statt nach Westen bewegt hatte. Darum setzten wir eine vierte Boje in einem Gebiet mit starken Signalen aus und beschrieben einen perfekten Kreis von 6 km Durchmesser um sie herum – um sicher zu gehen, dass es sich nicht um den Rand des Flecks handelte. Danach führten wir eine In-Station im Zentrum durch, die sich als perfekte In-Station herausstellte: mit Chlorophyllkonzentrationen über 1,2 mg Chl m-3 hatten sich die Werte verdoppelt. Auch die meisten anderen Messungen deuteten darauf hin, dass das Ökosystem reagierte. Auf die Veränderungen und deren Implikationen werden wir in zukünftigen Berichten eingehen. Jetzt war entscheidend, dass der Fleck intakt war, sich nicht viel bewegte und voraussichtlich im Kern des Wirbels bleiben wird, zumindest so lange, wie er besteht.

Prozessstudien wie die unsere sind stets mit Risiko verbunden, weil ihr Erfolg davon abhängt, ob der zu studierende Prozess lange genug verfolgt werden kann, um einen aussagekräftigen Datensatz zu erhalten, und ob die Messungen umfassend genug sind, um alle Aspekte abzudecken, die zum quantitativen Verständnis nötig sind. Der Prozess, den wir zu verstehen versuchen, ist ein Bindeglied in der Kette von Rückkopplungsmechanismen, die das Klima der Erde bestimmen. Es wird von der Biologie der Organismen angetrieben, die die Oberflächenschicht der Ozeane bewohnen und von denen die große Mehrheit einzellig ist und von den kleinsten Organismen (Zwergbakterien, etwas kleiner als ein Mikrometer) bis zu den riesigen Zellen verschiedener Protozoen und Algen (gerade für das bloße Auge sichtbar mit etwa einem Millimeter) reicht. Das Leben in diesem Größenbereich ist für unsere Sinnesorgane nicht zugänglich. Deshalb haben biologische und chemische Ozeanographen eine breite Palette an Techniken entwickelt, um zumindest indirekte Informationen über die Wirkungsweise dieses größten Ökosystems der Erde zu sammeln. Das Ziel ist zu verstehen, wie es funktioniert und welche Rolle die unterschiedlichen Typen von Ökosystemen im globalen Klimaszenario spielen. Das konkrete Ziel von LOHAFEX ist es, ein planktonisches Ökosystem in einer späten Phase seiner saisonalen Entwicklung durch Erhöhung des Phytoplanktonwachstums zu stören, um anschließend das Schicksal der neu aufgebauten Biomasse innerhalb des planktonischen Nahrungsnetzes zu verfolgen und die Wirkung auf die Chemie der Oberflächenschichten zu bestimmen, insbesondere auf den Gasaustausch zwischen Luft und Wasser.

In dem ausgedehnten Gebiet des Ozeans, den wir bisher untersucht haben, schien die Planktongemeinschaft vom selben Typ zu sein: von kleinen Phytoplanktonzellen dominiert und von Fraßaktivitäten voranging zweier Copepodenarten reguliert, von denen die größere (Calanus simillimus, Bild in vorherigem Bericht) etwa so groß wie eine kleine Mücke ist (3 mm in der Länge). Die andere Art (Oithona similis) ist viel kleiner und zarter, ungefähr 0,7 mm lang. Beide Arten konsumieren etwa die gleiche Nahrung: Phytoplankton- und Protozoenzellen, die größer als 0,005 mm sind. In der Vergangenheit glaubte man, Copepoden würden wahllos fressen, indem sie Partikel aus dem Wasser sieben. Aber die verbesserte Kameratechnik hat gezeigt, dass sie tatsächlich ziemlich selektiv in ihrem Fressverhalten sind: sie greifen nach einzelnen vorbei schwebenden oder schwimmenden Partikeln, essen einige davon und verwerfen andere wieder. Die Copepoden scheinen die kleinen Ciliaten (Wimpertierchen) zu bevorzugen: winzige kegelförmige Tiere von nur 0,01 mm Größe, die mit hohen Geschwindigkeiten mittels Propellerschläge ihres Wimperkranzes herumzischen. Die Wimper sind kürzer aber stärker als Flagellen und umzingeln den „Mund“. Ciliaten sind die Räuber im mikrobiellen Nahrungsnetz, das wir später beschreiben werden.

Erwachsene weibliche C. simillimus finden sich selten in unseren Proben, also vermehrt sich deren Population nicht. Fast alle Individuen sind Jugendliche, die noch an Größe zulegen, bis sie das Larvenstadium erreichen, in welchem sie im tiefen Ozean überwintern. Die meisten haben dieses Stadium bereits erlangt, d.h. ihr Körperaufbau ist abgeschlossen und die aufgenommene Nahrung wird nun wahrscheinlich in Fett umgewandelt als Vorbereitung auf die Überwinterung tief unten in der Wassersäule. Fett und Öl sind Kohlenwasserstoffe, die hauptsächlich aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen, so dass die anderen Nährstoffe (Stickstoff, Phosphor und wahrscheinlich auch Eisen) dem Ökosystem zurückgegeben werden. In anderen Worten: diese Copepoden extrahieren und sondern nur Energie von ihrer Nahrung ab und überlassen die Bausteine (Nährstoffelemente) dem Phytoplankton zum Recycling. Im Gegensatz dazu verbringt die von Küstengewässern bis in den offenen Ozean allgegenwärtige Art Oithona similis ihr gesamtes Leben in der Oberflächenschicht. Deswegen besteht ihre Population sowohl aus Erwachsenen als auch aus sämtlichen Larvenstadien. Die Weibchen produzieren Eier, die sie in Eiersäcken tragen und die zahlreichen winzig kleinen Larven flitzen in den Wasserproben herum, die wir über einem feinmaschigen Netz aufkonzentriert haben. Diese Art behält ganz klar die aufgenommenen Nährstoffe zurück und investiert die Proteine und die DNS in das Wachstum der Population. Erst ihre Räuber regenerieren die Nährstoffe und führen sie ins System zurück, abhängig davon, ob die Nahrung in Fettreserven eingelagert oder für das eigene Wachstum oder für die Eiproduktion benutzt werden. Allerdings scheint der Fraßdruck auf den Copepoden bis jetzt relativ gering zu sein, wie wir noch sehen werden.

Der erhebliche Fraßdruck, der auf das einzellige Plankton (inklusive des Phytoplanktons) lastet, wird durch die Fülle des gut gekauten Kotmaterials in der Oberflächenschicht belegt. Kotballen von Copepoden (siehe Bild) sinken in Laborgefäßen schnell ab, weshalb angenommen wird, dass ihre Ausscheidungen erheblichen Anteil am organischem Partikelregen haben: Die Biologische Kohlenstoffpumpe (BCP) die Kohlenstoff in die Tiefsee transportiert. Über die quantitative Rolle der unterschiedlichen Prozesse, die die Pumpe antreiben, herrscht noch Unklarheit; die Hauptquellen sind sinkende Algenzellen, Kotmaterial des weidenden Zooplanktons und den Fraßdruck der Tiefsee-Räuber, die sich von überwinternden Copepoden ernähren und dabei deren Kohlenstoff in der Tiefe behalten. Die Überlebenden Tiere kehren ja im darauf folgenden Jahr an die Oberfläche zurück. Da die biologische Kohlenstoffpumpe im globalen Kohlenstoffkreislauf bei der Regulation der atmosphärischen CO2-Konzentrationen eine der Hauptprozesse ist, besteht ein dringender Bedarf, die treibenden Faktoren besser zu verstehen.

Es ist schwierig, Partikel, die von der Oberflächenschicht durch die tiefe Wassersäule sinken, zu verfolgen, da sie sich in dem gewaltigen Wasservolumen, das sie auf dem Weg nach unten durchqueren, rasch verdünnen. Da die Quantifizierung der einzelnen Komponenten der biologischen Kohlenstoffpumpe einer der Hauptanliegen von LOHAFEX ist, befinden sich auch zwei kürzlich entwickelte Techniken zum Verfolgen des Flusses an Bord. Eine davon ist die trichterförmige, schwebende Sinkstofffalle PELAGRA, die von einer Gruppe in Southampton, Großbritannien, entwickelt wurde. Die Fallen können programmiert werden, um in einer vorgegebenen Tiefe (wenige hundert Meter) für einen bestimmten Zeitraum (wenige Tage) zu bleiben, währenddessen sie sinkende Partikel in 4 Polycarbonatbehältern sammeln, die sich vor der Rückkehr an die Oberfläche wieder schließen (siehe Bild). Wir haben 5 Fallen an Bord, von denen jeweils mindestens zwei im Einsatz sind, eine unter und eine außerhalb des Flecks, um eine vollständige Erfassung sicherzustellen. Der Umgang erfordert sehr viel Geschicklichkeit und Erfahrung, sie haben jedoch bisher sehr gut funktioniert. Die in 200 und 450m Tiefe ausgesetzten Sammelbehälter waren, abgesehen von einigen Zooplanktonorganismen, die hinein geschwommen waren, fast leer. Diese wurden sorgfältig unter einem Mikroskop entfernt, keine einfache Tätigkeit an Bord eines rollenden Schiffes. Die verbleibenden Partikel in den Sammelbehältern wurden gründlich begutachtet und anschließend konserviert, um sie im heimatlichen Labor weiteren Analysen zu unterziehen. Eine interessante bereits gewonnene Erkenntnis ist die kleine Menge an Copepodenkot, die, in der Oberflächenschicht produziert, tatsächlich in die Tiefe sinkt. Dies weist darauf hin, dass der Großteil vor Ort recycelt wird. Jedoch sinkt etwas von dem Kotmaterial aus und wir wollen feststellen, ob der Anteil unter dem Flecken ansteigt - mehr Nahrung, mehr Kot, verstärktes Absinken - oder nicht. Für diesen Zweck messen wir die Produktionsrate und verfolgen das Schicksal des Kotmaterials.

Die andere Technik zur Abschätzung der Menge und Zusammensetzung absinkender Partikel ist das Beobachten ihrer Tiefenverteilung mit Hilfe des Kamerasystems UVP, das von einem Team in Villefranche, Frankreich, entwickelt wurde. Es ist an der CTD angebracht und photographiert in rascher Abfolge mit 5 Bildern pro Sekunde jeweils 1-Liter-Wasserscheiben, die von einem Stroboskoplicht beleuchtet werden, während es mit 1m/s von der Oberfläche bis 3000m Tiefe herabgelassen wird. Diese Kamera erfasst Partikel bis 0,06 mm Durchmesser und liefert Bilder von Objekten bis zu einer Größe von 0,5 mm, die mit dem Auge identifiziert werden können. Sogar in der tiefsten Schicht, zwischen 2000 und 3000m sind immer noch etwa 3 Objekte pro Bild und etwa ein Zehntel der Bilder enthält identifizierbare Objekte, was mehr als erwartet ist. Ein speziell dafür programmierter Computer sortiert die erfassten Partikel in wenige Gruppen: Verschiedene Arten von Zooplankton, diffuser Detritusklumpen und kleine Partikel. Diese werden zu vertikalen Profilen von Abundanz und Biovolumen umgewandelt. Das Kamerasystem liefert Details aus der Biologie der Copepoden, die durch Netzfänge oder akustische Techniken nicht gesammelt werden können (siehe Bild).

Wir sind nun in der Routinephase des Experiments eingetreten: Wir führen Stationen inner- und außerhalb des Flecks in regelmäßigen Intervallen durch, während wir seine  Bewegungen innerhalb des Wirbels überwachen. Obgleich die Arbeit ermüdend ist, sind wir glücklich und gespannt auf die weiteren Entwicklungen.

Mit herzlichen Grüßen,

Wajih Naqvi und Victor Smetacek