12. Januar - 1. Februar 2009

Die ersten zwei Wochen fuhren wir Ozeanwirbel an, die wir schon seit längerer Zeit auf Satellitenbildern beobachtet hatten, und überprüften diese auf ihre Eignung. In der dritten Woche begannen wir mit dem eigentlichen Experiment. Ein räumlich und zeitlich begrenztes Experiment wie LOHAFEX muss in einem Ozeanwirbel durchgeführt werden, der praktisch die Charakteristik eines Reagenzglases hat. Er muss stabil genug sein, um nicht in den Weiten des Ozeans zu verschwinden und tief genug, um die Auswirkungen der Düngung von der Oberflächenschicht über die darunter liegende Wassersäule bis zum Meeresboden verfolgen zu können. Das sind hohe Anforderungen in einer Region des Ozeans, die derart tief reichend und dynamisch ist wie der mächtige Antarktische Zirkumpolarstrom. Bereits zwei vorangegangene Experimente mit Polarstern wurden erfolgreich in geschlossenen, rotierenden Zentren stationärer Ozeanwirbel durchgeführt. Beide Ozeanwirbel erstreckten sich bis zum Meeresboden und wurden von mäandrierenden Bändern starker Strömungen, so genannten Fronten, gebildet. Diese Ozeanwirbel befanden sich im östlichen Atlantik südlich von Afrika und wurden ohne großen Aufwand, jedoch wie sich im Nachhinein zeigte, mit einer großen Portion Glück gefunden. Dieses Mal wollten wir die Reaktion einer Planktongemeinschaft in einem Ozeanwirbel im produktiveren westlichen Südatlantik untersuchen. Tägliche Satellitenbilder der Region nördlich von Süd-Georgien zeigten Variationen in der Höhe des Meeresspiegels um mehrere Dezimeter, die sich deutlich als blaue und rote Flecken (Senken bzw. Erhebungen) vom grünen Hintergrund des ansonsten flachen Meeres hervorhoben (siehe Satellitenbild im ersten Bericht). Wir hatten im Vorfeld einen blauen Ozeanwirbel mit kaltem Wasser im Zentrum ausgewählt, der aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften im Uhrzeigersinn rotiert. Dieser Wirbel erschien in den letzten Jahren regelmäßig an einer Faltung des Meeresbodens und verblieb dort für einen ausgedehnten Zeitraum. Allerdings stellte sich das Wirbel-Feld in diesem Jahr als weitaus dynamischer heraus, mit roten und blauen Flecken die ständig um Platz ringen.

Ein italienischer Physiker mit Sitz in Paris entwickelte kürzlich ein mathematisches Model, das sich auf Satellitendaten der Meereshöhe stützt. Er verwendete Methoden aus der Chaostheorie einschließlich der Lyapunov-Exponenten, um das Entstehen und Vergehen von Ozeanwirbeln zu erklären. Er freute sich über die unerwartete Gelegenheit, sein theoretisches Model auf unsere Bedürfnisse zuzuschneidern und arbeitete akribisch an der Auswertung der verschiedenen Ozeanwirbel in unserem Untersuchungsgebiet. Seine innovative Darstellung der Strömungsfelder und der sich daraus entwickelnden Wirbel im Modell ist eine attraktive Art der Visualisierung von physikalischen Prozessen im Ozean. Die Ergebnisse seiner sorgfältigen Analysen erreichten uns 5 Tage nach Abreise und waren alles andere als ermutigend. Er verglich den von uns 2004 vermessenen EIFEX-Wirbel mit den Wirbeln aus unserem Zielgebiet und zeigte, dass der geschlossene Kern des EIFEX-Wirbels ein Idealfall war, in starkem Kontrast zu denen nördlich von Süd-Georgien, die alle kein geschlossenes Zentrum hatten. Im Licht dieser ernüchternden Prognose untersuchten wir auf unserem Weg einen Wirbel, der dem von EIFEX ähnelte und entlang desselben Breitengrades (48 °S) lag. Er entstand an der Ostseite des Schweifs mit erhöhter Produktivität, der von der Antarktischen Halbinsel ausgeht und sich weit bis in den westlichen Südatlantik erstreckt. Diese Zone erhöhter Produktivität zeichnet sich durch Ablagerungen von Sporen üblicherweise in Küstengewässern vorkommenden Diatomeenarten (Kieselalgen) im darunter liegenden Sediment aus.

Wie bereits im ersten Bericht erwähnt, war der Rohstoff Kieselsäure, aus dem Diatomeenschalen bestehen, bereits bis in eine Tiefe von 100m von vorangegangenen Diatomeenblüten aufgebraucht worden. Nicht einmal die spätsommerliche EIFEX-Blüte, die von stark verkieselten Diatomeen dominiert war, vermochte die Kieselsäure auf derart niedrige Werte zu senken. Es ist gut belegt, dass Kieselsäure im nördlichen Antarktischen Zirkumpolarstrom während des Sommers erschöpft ist, da die Diatomeen hier einen geringeren Vorrat zur Verfügung haben, wenn sie im Frühjahr zu wachsen beginnen. Weiter südlich ist die Versorgung während der Frühjahrsblüte höher, weswegen es die Diatomeen (die Hauptgruppe mit einem obligaten Bedarf an diesem Element) nicht schaffen, alles zu verbrauchen, bis die winterliche Tiefendurchmischung einsetzt. Aufgrund der erhöhten Produktivität erstreckt sich die Abreicherung von Silikat im Südwestlichen Atlantischen Sektor viel weiter in den Süden, daher gehört der geschlossene Kern des Wirbels offensichtlich zu diesem Sektor.

Die Zusammensetzung der Planktongemeinschaft bestätigte, dass es sich um ein spätes Stadium des Jahreszyklus handelte. Die Diatomeen beinhalteten dünnschalige, nadelförmige Arten der Gattung Rhizosolenia und Proboscia, die hohen Dichten in Küstengewässern erreichen können. Außergewöhnlich war die große Anzahl nicht toxischer Dinoflagellaten der Gattung Ceratium, die charakteristisch für Spätsommerblüten entlang der Küsten und des offenen Nordatlantik sind, aber nach unserer Kenntnis in solchen Konzentrationen noch nicht so weit im Süden beobachtet wurden. Eine weitere Besonderheit war die große Anzahl Zooplankter, dominiert von der Gruppe der Ruderfußkrebse (Copepoden), die eine zentrale Stelle im Nahrungsnetz zwischen einzelligem Plankton und größeren Tieren wie Fischen darstellen. Die ausgewachsenen Tiere der dominanten Arten umfassten ein Größenspektrum von 0,2 bis 2mm. Die große Menge an Jungtieren dieser Arten weist darauf hin, dass deren Eltern Wochen bis Monate zuvor ein reichhaltiges Nahrungsangebot genossen haben müssen.

Nachdem bestätigt wurde, dass dieser Wirbel (Wirbel 1) einen geschlossenen Kern mit niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten aufwies und somit für das Experiment geeignet war, fuhren wir weiter westwärts in Richtung des Wirbel-Feldes in unserem vorher ausgewählten Untersuchungsgebiet nördlich der Insel Süd-Georgien. Unterwegs machten wir aus zweierlei Gründen einen Abstecher nach Süden. Der eine war, etwas über die Natur der Wirbel nordöstlich von Süd-Georgien in Erfahrung zu bringen, und der andere, einem der großen Eisberge einen Besuch abzustatten, auf den uns unser Meteorologe während seines täglichen unterhaltsamen Wetterberichts aufmerksam gemacht hat. Die Eisberge bewegten sich in nord-östliche Richtung und der größte von ihnen war über 15 km lang, aber zu weit im Süden, so dass wir beschlossen, einen Kleineren abzufangen, der sich weiter nördlich befand. Wir sind bereits so vielen Eisberge begegnet, dass ihre Gegenwart zur Routine wurde. Obwohl einige die Größe von Kathedralen hatten, war der Effekt ihres Schmelzwassers auf die Umgebung gering. Wir hatten gehofft, den Einfluss von Schmelzwasser großer Eisberge und dem darin enthaltenen eisenhaltigem Staub auf die Umgebung aufzeichnen zu können.

Das Eisbergtrümmerfeld

Während der Nacht passierten wir ein 45 km großes Gebiet geringeren Salzgehaltes (< 33,4 im Vergleich zu 33,9 des Umgebungswassers), das eindeutig die Spur eines schmelzenden Eisberges war. Bei Erreichen des ausgewählten Eisberges, waren wir erstaunt, dass es sich um eine Ansammlung kleinerer Eisberge in einem umfangreichen Feld dicht gepackter Eistrümmer handelte, das stark an Meereis erinnerte. Doch anstatt flacher Eisschollen erstreckten sich unregelmäßig geformte Eisklumpen im Größenbereich von Metern um uns herum. Wir verbrachten einen Tag damit, den „See“ aus frischem aber kälterem Wasser zu vermessen, der sich inmitten des offenen Ozeans geformt hatte. So konnten wir unsere Beprobungsstrategie festlegen und feststellen wie lange sich dieser „See“ halten würde. Die erste Station legten wir so tief ins Innere des Eisfeldes wie möglich. Ein normales Schiff hätte gefährliche Beulen davon getragen, doch für Polarstern waren es bloß Krümel von Eis, die leicht zur Seite geschoben wurden, als sie majestätisch durch die eisige Landschaft glitt.

Das Gefühl komplett von Eis umgeben zu sein, war ein ganz besonderer Moment für die Menschenmenge, die sich an Deck versammelt hatte. Ein atemberaubendes Erlebnis für die Neulinge, da es für viele von ihnen der erste Kontakt mit natürlichem Eis überhaupt war. Die Menge jubelte erst vor Begeisterung, verfiel aber bald in meditatives Schweigen, der Ehrwürdigkeit der Umgebung angemessen. Der Wind hatte sich gelegt, der Himmel war grau und ein leichter Nebel trug zu der besonderen Atmosphäre bei. Wir flüsterten nur noch miteinander, so verzaubert waren wir von dem Eis um uns herum. Allerdings brach allzu plötzlich Geschäftigkeit aus, als Polarstern in sicherer Entfernung der vielen Eisbergen rüttelnd zum Halten kam und ihre mächtigen Bugstrahler (Propeller an Bug und Heck, die seitlichen Antrieb ermöglichen) die Eistrümmer beiseite schoben, so dass wir mit unserer Arbeit beginnen konnten. Unser Haupt-Instrument, die CTD-Rosette, wurde herabgelassen und eine Gruppe versammelte sich um den Bildschirm im Windenleitstand, auf dem die Profile der verschiedenen Sensoren erschienen. Diese zeichnen beim Vieren und Hieven durch die Wassersäule die folgenden Eigenschaften auf: Temperatur, Salzgehalt, Sauerstoffkonzentration, Chlorophyll Fluoreszenz (ein Maß für die Menge an Phytoplankton im Wasser) und Trübung (ein Maß für den Gehalt der schwebenden Partikel, vor allem Plankton, im Wasser). Diese Instrumente sind unsere Sinnesorgane und wir sind geübt darin, Strukturen in ihren Profilen zu lesen und zu deuten. Auf dem Weg nach oben wurden die zylindrischen 12 Liter Probenflaschen einzeln in den gewünschten Tiefen geschlossen. An den gewonnenen Wasserproben wird anschließend eine Anzahl weiterer Eigenschaften mittels verschiedener Instrumente in den Laboren gemessen.

Die Temperatur- und Salzgehaltsprofile zeigten an, dass der Schmelzwassereinfluss 25 m tief reichte. Dieser „See“ war salzärmer und daher trotz seiner niedrigen Temperatur nahe dem Gefrierpunkt leichter als das umgebende Meerwasser. Das kalte Wasser kühlte die darüber liegende Luft ab, so dass sich zur Abenddämmerung dichter Nebel über die Szenerie legte. Da die Eisberge um uns herum aufgrund von Reflexionen der Eistrümmer schwer auf dem Radarschirm zu erkennen waren, und der dichte Nebel sie nahezu unsichtbar machte, entschieden wir uns aus Sicherheitsgründen die Station nach dem Einholen eines Netzes zu verlassen. Die Nacht verbrachten wir damit, die Peripherie der Eistrümmer zu umfahren und flache Profile mit der CTD zu nehmen. Während des Tages wollten wir ein paar Stationen innerhalb des Eisfeldes wiederholen. Allerdings hielt sich der Nebel am nächsten Tag, so dass wir entschieden, zur Wirbelsuche zurückzukehren, nachdem wir eine Station in einiger Entfernung des Schmelzwassersees als Basislinie beprobt hatten.

Die Suche geht weiter

Westlich der Eisberge waren die Kieselsäurekonzentrationen sogar noch geringer als im Wirbel 1 mit weniger Diatomeen und mehr Ceratium-Zellen. Um zu ermitteln, wie weit die niedrigen Kieselsäurewerte nach Süden reichten, steuerten wir einen Wirbel bei 52° S an. Unser Modellierer in Paris, den wir inzwischen das „Orakel“ nannten, betrachtete ihn als guten Kandidaten, so dass wir zumindest seine Berechnungen testen konnten. Wir führten Nährstoffmessungen im Oberflächenwasser durch und fanden überall extrem niedrige Kieselsäurekonzentrationen vor. Offensichtlich war die gesamte Region, die wir für unser Experiment ausgesucht hatten, von mehr oder weniger der gleichen Silikat-verarmter Planktongemeinschaft beherrscht. Diese Beobachtung war beruhigend, zeigte sie doch, dass die Ergebnisse unseres Experimentes auf weite Gebiete des Süd-Atlantiks übertragbar sein würden.

Auf unserem Weg zu dem Wirbel-Feld nördlich von Süd-Georgien legten wir unsere Fahrtroute so, dass sie den blauen (Wirbel 2) und den roten Fleck (Wirbel 3) durchschnitt. Die Karte des Orakels zeigte, dass die Wirbel keine geschlossenen Kerne besaßen und unsere Strömungsmessungen spiegelten tatsächlich starke Strömungen wider, die dicht nebeneinander in entgegen gesetzte Richtungen zeigten. Das hieß, es gab keinen geschlossenen Kern mit niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten im Zentrum. Wir konnten also den Vorhersagen des Orakels trauen, dass die Wirbel in dieser Region sehr dynamisch und somit für ein Langzeitexperiment wie unseres nicht geeignet sind. Eine Station in der Mitte des Wirbels ließ eine flache Durchmischungsschicht von nur 25 m erkennen, was die ungewöhnlich hohen Oberflächentemperaturen dieser Region verständlich macht (10° C). Das Dichteprofil (eine Funktion von Temperatur und Salzgehalt) wies „Stufen“ unterhalb der Deckschicht auf, was auf ein Überlagern verschiedener Wassermassen hindeutet. Die Wirbel waren demnach nicht tief „verwurzelt“, was wiederum ihr dynamisches Verhalten auf den Satellitenbildern erklärte.

Noch ein weiterer Grund, das Experiment nicht in der vorher ausgesuchten Region durchzuführen, waren die hohen Chlorophyll-Konzentrationen (1,2 mg Chl m-3) in der flachen Oberflächenschicht im Zentrum von Wirbel 2. Diese Konzentrationen waren doppelt so hoch wie erwartet und im Rahmen von Konzentrationen, die unsere Düngung bei dieser Art von Phytoplanktongesellschaft hervorrufen würde. Satellitenbilder zeigten sogar noch höhere Werte weiter nördlich an. Es gab wenige Eisberge hier, so dass das Eisen aus Staub stammen muss, der mit dem Wind wahrscheinlich aus Patagonien eingetragen wurde. Die Heterogenität der Planktongemeinschaft während des langen nordwärts gerichteten Fahrtabschnittes wurde auch bei regelmäßigen mikroskopischen Untersuchungen des Oberflächenwassers beobachtet. Die regionalen und saisonalen Muster in der Verteilung von Phytoplanktonarten zu erklären, ist eine der großen Herausforderungen die sich biologischen Meereskundlern stellt. Es ist zu erwarten, dass verschiedene Arten unterschiedliche Einflüsse auf die Nahrungskette und damit auf den globalen Kohlenstoffkreislauf haben. Zumindest ist dies unsere Erfahrung mit Land-Ökosystemen, wo ersichtlich ist, dass verschiedene Pflanzenarten (z.B. Laub- oder Nadelbäume) unterschiedliche Auswirkungen auf ihre Umgebung haben, eingeschlossen der Biodiversität.

Seit Beginn des letzten Jahrhunderts fanden viele Forschungsexpeditionen statt, darunter eine Reihe von Polarsternfahrten, die die Verteilung und Häufigkeit von Planktonarten in Beziehung zu physikalischen und chemischen Eigenschaften ihrer Umgebung in den unterschiedlichsten Regionen des Südlichen Ozean systematisch untersucht haben. Die Daten haben zur Formulierung mehrerer Hypothesen geführt, die unterschiedliche Faktoren für die Zusammensetzung und Häufigkeit der Arten verantwortlich machen. Letztere haben Rückkopplungseffekte auf die Chemie ihrer Umgebung und somit den globalen Kohlenstoffkreislauf. Die Hypothesen sind allerdings mit weiteren Felduntersuchungen kaum zu testen. Das liegt daran, dass die Geschichte einer Wassermasse, die eine bestimmte Artengesellschaft beherbergt, stets fehlt. Dieses Wissen kann man durch experimentelle Manipulation einer vorhandenen Gemeinschaft im Feld erlangen. Nur so können die Anfangsbedingungen aufgezeichnet und die Prozesse messend verfolgt werden, die zu Veränderungen in der Gemeinschaft durch steigende und dann sinkende Produktivität führen. Diese Abläufe können mit Vorgängen im umgebenden, unberührten Wasser verglichen werden.

Einige Notizen zum Phytoplankton

Den Hauptbeitrag zur Phytoplanktonbiomasse des Wirbels nördlich von Süd-Georgien lieferten kleine Zellen, die zu der Algengruppe der Haptophyceen („Greifpflanzen“) gehören. Diese Algengruppe hat einen signifikanten Anteil an der Produktivität der Ozeane. Der Name beruht auf dem lasso-ähnlichen Fortsatz, den sie ausstrecken und eindrehen können und der zwischen zwei Flagellen sitzt, die der Fortbewegung dienen. Die 5-10 Mikrometer (1 Mikrometer = 0,001 mm) großen Zellen sind mit Chloroplasten ausgefüllt, in denen die Photosynthese stattfindet. Sie werden daher zur Gruppe des Phytoplanktons oder pflanzlichen Planktons gerechnet. Sie können jedoch auch Partikel wie beispielsweise Bakterien fressen, die sie mit ihrem Lasso einfangen – damit wären sie also auch  geeignet, der Gruppe der einzelligen „Tiere“ oder Protozoen zugeteilt zu werden. Zusätzlich zu ihren grundverschiedenen Ernährungsweisen (Mixotrophie oder gemischte Ernährung genannt), zeigt der komplexe Lebenszyklus verschiedener Haptophyceen-Arten, dass klein nicht unbedingt einfach bedeuten muss. Die verschiedenen Stadien des Lebenszyklus haben recht unterschiedliche Auswirkungen auf die Chemie ihrer Umgebung, weswegen es notwendig ist, den Lebenszyklus unter Freilandbedingungen genauer zu studieren. LOHAFEX bietet nun diese Gelegenheit.

Die Haptophyceen beinhalten mehrere Gruppen, von denen die Coccolithophoriden oder Kalkalgen eine entscheidende Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf spielen. Ihre Zellen sind mit gemusterten Plättchen aus Kalziumkarbonat (Kalk) bedeckt, die nach dem Tod der Zellen absinken und sich am Meeresboden ablagert. Über geologische Zeiträume hinweg haben diese winzigen Kalkplättchen dicke Lagerstätten, wie die berühmten weißen Klippen von Dover und die Kalkfelsen der Insel Rügen, gebildet. Obwohl sie Kohlenstoff im Sediment ablagern, hat die Kalkbildung im Meereswasser einen entgegengesetzten Effekt: Kalziumkarbonatablagerung in den Plättchen führt zu einer Abnahme von gelöstem anorganischem Kohlenstoff (die Summe von CO2, Bikarbonat und Karbonationen), aber gleichzeitig zu einer Zunahme von gelöstem CO2, was der Intuition widerspricht. Das gleiche gilt auch für Kalkskelette und -schalen von Korallen bzw. Muscheln. Wenn die überschüssigen CO2–Moleküle in organisches Material eingebaut werden, ist der Netto-Effekt auf das CO2–Gleichgewicht zwischen Meerwasser und Atmosphäre etwa neutral. Aber wenn die Kalkschalen aus der Oberflächenschicht heraus sinken und das organische Material von Mikroben und Zooplankton zersetzt wird, dann gelangt das überschüssige CO2 in die Atmosphäre zurück. Ausgedehnte Blüten von Kalkalgen treten regelmäßig im Nordatlantik auf und erscheinen als weiße Streifen und Flecken auf Satellitenbildern. Sie kommen auch im Südatlantik vor, sind aber nicht so ausgeprägt, dass sie auf Satellitenbildern zu erkennen wären. Sollte jedoch Eisendüngung das Wachsen von Kalkalgen in einem eisen- und siliziumlimitierten nördlichen Ring des Zirkumpolarstroms begünstigen, würde es zu einer Netto- Abgabe von CO2 in die Atmosphäre führen, anstatt zu einer CO2-Senke.

Kalkalgen waren im warmen Wasser des dynamischen Wirbel-Feldes zahlreich vorhanden und trugen maßgeblich zu der Blüte im Zentrum vom Wirbel 2 bei. Die Faktoren, die zu den Blüten geführt haben, sind nur unzureichend verstanden und wir hätten gerne das Experiment dort durchgeführt, um die Reaktion auf die Düngung genauer zu beobachten. Jedoch würde ein Untersuchungsgebiet so klein wie das unsere in einem derart unstabilen Wirbel innerhalb weniger Tage zerfasern und verschwinden. Dieses Gebiet war eindeutig für ein Langzeitexperiment wie das unsere nicht geeignet.

Glücklicherweise war die Planktongemeinschaft im Wirbel 1, den wir zuvor weiter östlich untersucht hatten, vom gleichen Typus, jedoch in einem früheren Sukzessionsstadium. Wirbel 1 befindet sich auf demselben Breitengrad aber sehr viel weiter westlich als der EIFEX-Wirbel. Die geringeren Kieselsäurekonzentrationen zeigten, dass er sich im produktiven Einflussbereich des Südwestatlantiks befindet. Die Menge und Zusammensetzung des Zooplanktons waren ebenfalls der zuvor beprobten Region sehr ähnlich: dieselben Arten von Ruderfusskrebsen dominierten die Biomasse, Salpen waren auffällig selten und räuberisches Zooplankton war durch wenige Chaetognathen (Pfeilwürmer) aber Amphipoden im Überfluss vertreten. Der einzige auffallende, aber verblüffende Unterschied lag in der Pigmentierung der Copepoden. Im ersten Wirbel waren sie durchsichtig mit einigen wenigen roten Punkten, während die gleichen Arten weiter westlich durch strahlend rote Antennen oder ein oranges Gürtelband gekennzeichnet waren.

Beginn des Experiments

Also kehrten wir um, Kurs Ost, zum Wirbel 1 und wurden auf dem Weg dorthin von starken Westwinden und Strömungen wie auf Flügeln getragen. Wir kamen bereits am 24. Januar dort an. Unsere neuen, aktuellen Messprofile der oberen Wasserschichten bis 200 m bestätigten die Genauigkeit der Satelliten-Altimeterbilder, und ein Querschnitt mittels CTD-Profilen zeigte eine Kuppel aus kaltem Wasser im Zentrum des Wirbels mit sehr geringen Strömungsgeschwindigkeiten. Wir hatten offensichtlich den stabilen, geschlossenen Kern gefunden. Doch das Oberflächenwasser schien dynamischer zu sein. Wir setzten eine mit Positionssender ausgestattete Boje so nah wie möglich im Zentrum des Wirbels aus, um Klarheit über die dort herrschenden Oberflächenströmungen zu bekommen. Während wir gespannt die Bewegung der Boje anhand der übermittelten Positionen beobachteten, fuhren wir weitere Schnitte durch, um ein besseres Bild von der Dynamik der Oberflächenschicht zu bekommen.

Am 25. Januar hatten wir das Zentrum des Wirbels mit hinreichender Sicherheit lokalisiert und begannen mit der „Nullstation“, der Station zur Ermittlung der Ausgangsbedingungen vor unserem Düngungsexperiment. Diese wichtige, umfangreiche Station dauerte bis tief in die Nacht des 26. Januar. Am Abend kam der Telefonanruf, der uns die Entscheidung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung mitteilte: Wir hatten die ersehnte Erlaubnis zur Durchführung des Experiments erhalten! Die auf dem Arbeitsdeck versammelte wissenschaftliche Besatzung brach in Jubel aus. Sofort begannen wir die zwei 6 Kubikmeter fassenden Tanks mit je 775 kg in Meerwasser gelöstem Eisensulfatpulver zu füllen. Nachdem die „Nullstation“ beendet war, führten wir weitere kleinräumige Schnitte der Strömungsprofile durch und begannen am Morgen des 27. Januar mit der Düngung. Dazu wurde eine zweite Boje 3 km nördlich der ersten ausgebracht. Diese zweite Boje sollte das exakte Zentrum des Wirbels markieren. Auch drei frei schwebende Sinkstofffallen, die sich in vorprogrammierten Tiefen aufhalten, bevor sie wieder auftauchen, wurden in 200 m und 450 m Tiefe ausgesetzt.

Dann wurde die Eisensulfatlösung durch einen Schlauch am Heck in das Propellerwasser geleitet, während die Polarstern die im Wirbelzentrum treibende Boje in einer sich öffnenden Spirale umrundete. Weil das ausgebrachte Eisen rasch von Organismen aufgenommen oder in unlösliche Rostpartikel umgewandelt wird, haben wir der Eisenlösung kontinuierlich das inerte Gas Schwefelhexafluorid (SF6) in Spurenmengen zugegeben. Da SF6 in sehr geringen Konzentrationen gemessen werden kann, dient es uns dazu, den gedüngten Fleck zu markieren. Insgesamt waren nur 480  Gramm dieses biologisch inaktiven Gases ausreichend, um den gesamten Fleck zu markieren. Während ein Tank innerhalb von 2,5 Stunden geleert wurde, befüllten die sich abwechselnden Teams von Wissenschaftlern den anderen Tank mit in Salzwasser gelöstem Eisensulfat. Eisensulfat ist ungiftig und wird in Tablettenform zur Behandlung von Anämie eingesetzt. Die von uns verwendeten 25 kg Säcke Eisensulfat werden freiverkäuflich in gleicher Qualität von Baumärkten und Einkaufszentren für die Behandlung von Rasen angeboten. Nichtsdestotrotz hinterlässt die Substanz auf Kleidung unlösliche Rostflecken und große Mengen Staub können die Atemwege und Augen irritieren. Deswegen trafen wir maximale Schutzvorkehrungen, um die Belastung so klein wie möglich zu halten. Dafür wurden die Teams mit Schutzanzügen und Masken ausgestattet. Eine Fläche von 300 km² wurde mit einer Gesamtmenge von 10 Tonnen Eisensulfat gedüngt, das entspricht 1/5000 Gramm Eisen auf 1 Kubikmeter Wasser oder 1/10 der Eisenkonzentration in einer Flasche Mineralwasser. Da die durchmischte Wasserschicht nur halb so tief wie angenommen war, verwendeten wir nur die Hälfte der ursprünglich geplanten Menge.

Das Schiff kehrte dann zur zentralen Boje zurück, wo wir neue Messungen an der Nullstation durchführten, um erste Reaktionen der Planktongemeinschaft auf die Eisendüngung zu ermitteln. Wie erwartet, waren keine messbaren Auswirkungen in den Umwelteigenschaften oder Zusammensetzung des Planktons zu erkennen, was bestätigte, das wir die gleiche Wassersäule beprobt hatten, und dass unsere Instrumente mit hohem Präzisionsgrad arbeiten. Wie bereits bei früheren Experimenten beobachtet, erhöhte sich die photosynthetische Effizienz des Phytoplanktons, gemessen mit einem Fast Repetition Rate Fluorometer (FRRF), deutlich: Der Beweis, dass die zelluläre Photosynthese-Maschinerie aufgrund von Eisenmangel unter ihrer Kapazität gelaufen war. Innerhalb der Zelle sind Eisenatome am Energietransfer beteiligt und sind Bestandteil vieler organischer Moleküle wie zum Beispiel von Ko-Enzymen, die für Wachstum verantwortlich sind. Wird Eisen verfügbar, werden die Zellen aktiv und beginnen mit der Synthese neuer Moleküle.

Ebenso wie sich Pflanzen an Land an die Verfügbarkeit von Wasser in ihrer jeweiligen Umgebung angepasst haben, kann man bei den verschiedenen Phytoplanktonarten davon ausgehen, dass sie an die Eisenkonzentration ihrer Umgebung angepasst sind. Dies wurde bereits für unterschiedliche Diatomeenarten gezeigt, die entweder auf hohe Eisenkonzentrationen in Küstengewässern oder an die niedrigen Konzentrationen im abgelegenen Ozean angepasst sind. Unser Wissen über die Faktoren, die die Lebenszyklen des marinen Phytoplanktons steuern, ist beschränkt. Tatsächlich fangen wir gerade erst an, ihre Rolle in der Gestaltung der saisonalen Zyklen zu verstehen, wozu besonders die Anwendung von modernen molekularbiologischen Methoden beitragen. Unsere mikroskopischen Untersuchungen des vorgefundenen Planktons enthüllten die Anwesenheit einiger Arten, die üblicherweise in Küstengewässer gefunden werden, weshalb wir annehmen, dass diese schneller als die typischen ozeanischen Arten reagieren werden. Die Artenvielfalt und Abundanz des Phytoplanktons während der Entwicklung der Blüte verfolgen wir mit besonderer Aufmerksamkeit mittels Mikroskopie und mittels der molekularen Methoden.

Am Ende unserer ersten Stationen nach Düngung beprobten wir die Sedimentoberfläche mit einem Multicorer und das größere Zooplankton mit einem Schleppnetz (Rectangular Midwater Trawl, kurz RMT). Anschließend bargen wir die 3 Sinkstofffallen, die nach 4 Tagen genau im gedüngten Fleck wieder aufgetaucht waren. Unsere nächste Aufgabe war eine ausführliche „Außenstation“ in einer ungedüngten Wassersäule innerhalb des Kerns, aber außerhalb des gedüngten Flecks, durchzuführen. Die Eigenschaften der Wassersäulen waren auf beiden Seiten des Wirbelkerns in etwa gleich. Am Sonntag begannen wir mit dem so genannten Scanfish den gedüngten Bereich zu kartieren. Dieses Instrument wird hinter dem Schiff geschleppt während es zwischen Wasseroberfläche und 200 m Tiefe onduliert. Der Scanfish ist mit allen Sensoren der CTD sowie einem FRRF ausgestattet. Das Ergebnis: Die Bojen befinden sich innerhalb des gedüngten Bereichs und die Chlorophyllkonzentration um die Bojen beginnt  zu steigen. Wir erwarten die weiteren Entwicklungen mit Spannung.

Eine Feier an Bord

Der 26. Januar war der Indische Tag der Republik. Wir feierten diesen Tag mit Hissen der indischen Flagge. Dazu sangen die indischen Wissenschaftler auf dem windigen Oberdeck die indische Nationalhymne. Danach zogen wir uns in den Blauen Salon zurück und hörten kurze, aber bewegende Reden. Angestoßen wurde mit Orangensaft und nach indischem Brauch servierten die indischen Wissenschaftler selbst zubereitetes Karotten-Halwa. Die erste Stewardess hatte die Messe mit vielen kleinen, extra für diesen Anlass gebastelten indischen Flaggen dekoriert, unter denen wir die gewünschten indischen vegetarischen Gerichte genossen. Die indischen Teilnehmer hatten ein kulturelles Programm vorbereitet, das die Vielfalt der indischen Kultur und Sprachen feierte, und zu dem die Crew geladen war. Der Abend begann mit einer kurzen Einführung in die indische Kultur auf Deutsch und Englisch, gefolgt von Liedern und Gedichten in allen auf dem Schiff anwesenden indischen Sprachen: Zuerst Hindi, dann Rajasthani, dann weiter südwärts mit Bengali, Marathi, Oriya, Konkani, Kannada, Telugu, Malayalam und zuletzt Tamil. Dazwischen erhielt ein Kathak-Tanz schallenden Applaus. Die Crew war entzückt.

Ende der Woche wurden die Kartierung des Flecks mit dem Scanfish und unterwegs durchgeführte Messungen von SF6 und anderen Eigenschaften des Oberflächenwassers fortgesetzt.

Mit den besten Grüßen von einem Schiff voll neugieriger Wissenschaftler in bester Stimmung und freudiger Erwartung der weiteren Entwicklungen,

Wajih Naqvi and Victor Smetacek