Abb. 1: Meereslandschaft in der Passatwindzone: Wind und Sonne – wo bleibt der Staub? (Foto: A. Körtzinger)
ANT-XXVI/4, Wochenbericht Nr. 3
20. April - 26. April 2010
Gut 3900 Seemeilen (oder 7200 Kilometer) liegen hinter uns und damit ziemlich genau die Hälfte unserer Reise. Wir nähern uns jetzt rasch dem Äquator und die Wassertemperatur ist inzwischen auf 29°C gestiegen. Dazu bläst der Passat mit 4-6 Windstärken beständig 28°C warme Luft aus südöstlicher Richtung heran. Bereits in den nächsten Tagen könnte die lockere Passatbewölkung dichterer Quellbewölkung weichen – dem ersten Vorboten der innertropischen Konvergenzzone, der auch als Kalmengürtel bekannten äquatorialen Tiefdruckrinne. Doch darüber mehr im nächsten Wochenbericht. In dieser Woche möchte ich mich den Spurenmetall- und Staubuntersuchungen dieser Reise widmen.
Diese werden von einer Arbeitsgruppe des Kieler Leibniz-Instituts für Meereswissenschaften (Thibaut Wagener, Maija Heller, Anna Dammshäuser) und einem Aerosolspezialisten der Universität Córdoba/Argentinien (Diego Gaiero) durchgeführt. Spurenmetalle spielen trotz bzw. gerade wegen ihrer sehr geringen Konzentrationen eine wichtige Rolle im Ozean. Zum einen ist für etliche Metalle eine biologische Funktion nachgewiesen – ein besonders prominentes Beispiel dafür ist Eisen. Zum anderen geben Spurenelemente Aufschluss über eine Vielzahl geochemischer Prozesse, wie z.B. Herkunft, Eintrag und Auflösung von atmosphärischem Staub in den Ozean. Da dieser feinste Staub aus den Wüstenregionen z.B. Patagoniens und der Sahara auch für den Eintrag von Makro- (Phosphor) und Mikronährstoffen (Eisen) verantwortlich ist, kommt ihm eine entscheidende Rolle für die biologische Produktivität des Meeres zu.
Abb. 2: Thibaut Wagener (links) und Diego Gaiero nehmen Wasserproben mit einem speziellen GOFLO Schöpfer. (Foto: A. Körtzinger)
Gerade die Chemie des Eisens im Meerwasser ist jedoch ausgesprochen kompliziert und bis heute nicht bis in Detail verstanden. Im gut belüfteten Oberflächenozean wird Eisen rasch zu dreiwertigem Eisen oxidiert, welches schlecht löslich ist und als Hydroxid ausfällt. Biologisch sind daher alle Prozesse relevant, die Eisen in die bioverfügbare gelöste Form überführen bzw. in dieser stabilisieren. Dazu gehören chemische Redoxprozesse ebenso wie die Komplexierung von Eisen durch organische Substanzen aus biologischen und photochemischen Quellen. Hier sind viele, teilweise exotische chemische Spezies und Reaktionen involviert. Ein solcher Exot ist das Superoxid, welches unter anderem durch Photooxidation von organischer Substanz gebildet wird und dann seinerseits in katalytischer Weise Eisen(III) in Eisen(II) überführt.
Auf dieser Reise werden daher täglich Wasserproben für die Messung der Konzentrationen von Eisen(II) und Wasserstoffperoxid, einem Abbauprodukt von Superoxid, sowie der Abbaupfade des kurzlebigen Superoxids genommen. Weitere Untersuchungen widmen sich den Fluoreszenz- und Absorptionseigenschaften der auch als „Gelbstoff“ bekannten farbigen Fraktion gelösten organischen Kohlenstoffs, die photochemisch aktiv und damit auch für die Bildung von Superoxid verantwortlich ist. Informationen zur Löslichkeit von Eisen liefern schließlich Experimente mit dem Radionuklid Eisen-55, die in einem speziellen Isotopencontainer durchgeführt werden.
Abb. 3: Anna Dammshäuser in voller Montur bei ihren Messungen im Reinluftcontainer. (Foto: T. Wagener)
Ein zweiter Schwerpunkt der Arbeiten dieser Gruppe liegt auf der Freisetzung von Elementen aus atmosphärischem Staub. Dabei richtet sich der Blick sowohl auf bioaktive Elemente wie Phosphor und Eisen wie auf bioinaktive Elemente wie Aluminium und Titan. Während erstere unmittelbare Auswirkungen auf die biologische Primärproduktion haben, erlauben letztere Einblicke in den Eintrag und die Auflösung von atmosphärenbürtigem Staub. Die Reise ANT-XXVI/4 ist für diese Zwecke besonders interessant, da sie den vollen Kontrast von den staubarmen Regionen des südatlantischen Subtropenwirbels zu den Staubfahnen der patagonischen Wüste und der Sahara bietet. Dabei stellt die Staubfahne der Sahara, die von Westafrika bis in die Karibik reicht, mit einem Eintrag von jährlich etwa 200 Millionen Tonnen die bei weitem wichtigste Staubquelle für den Weltozean dar. Mit Hilfe von Aerosolkollektoren wird der feine Staub der Atmosphäre abgerungen und Auflösungsexperimenten unterworfen, um ein besseres Verständnis der Auflösungsprozesse zu gewinnen. Zusätzlich werden bereits mitgebrachte Proben von Wüstenstaub aus verschiedenen Quellregionen z.B. Argentiniens in 10-tägigen Experimenten mit unterschiedlichen Meerwasserproben zur Reaktion gebracht.
Abb. 4: Maija Heller bestimmt die opti-schen Eigenschaften von Gelbstoff. (Foto: T. Wagener)
Arbeiten zu natürlichen Spurenmetallkonzentrationen stellen besonders hohe Anforderungen an die Probennahme und -bearbeitung. So ist im Falle des Elementes Eisen unmittelbar einsehbar, dass ein Schiff aufgrund des Kontaminationsrisikos eine denkbare ungünstige und doch die einzige Plattform für derartige Arbeiten im offenen Ozean darstellt. So werden spezielle GOFLO-Wasserschöpfer eingesetzt, die in geschlossenem Zustand zu Wasser gelassen und erst in 10 Metern Tiefe durch den hydrostatischen Druck geöffnet werden. Auf diese Weise kommt der hochreine Innenraum nie mit der kontaminierenden Schiffsumgebung in Kontakt. Aus dem gleichen Grunde können diese Schöpfer nicht an einem normalen Metalldraht eingesetzt werden, sondern nur an einem speziellen Kevlarseil. Doch diese extremen Vorsichtsmaßnahmen beschränken sich nicht nur auf die Probennahme. So müssen auch sämtliche Messungen und Experimente in einem Reinluft-Container oder Reinluft-Werkbänken durchgeführt werden, in denen durch Spezialfilter die Zahl von Luftpartikeln auf ein Minimum reduziert wird.
Im Gegensatz zum staubgeplagten europäischen Flugreisenden hoffen wir inständig, dass wir nach dem Passieren der innertropischen Konvergenz vor Westafrika ordentlich Saharastaub zu sehen bekommen. In diesem Sinne drücken alle an Bord bei bester Laune die Daumen und senden herzlichste Grüße nach Hause,
Arne Körtzinger