Verflechtungen verstehen: Küstenmeere beobachten und managen

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1 Titelthema II 5 Verflechtungen verstehen: Küstenmeere beobachten und managen Für insgesamt mehr als zwölf Millionen Euro wird ein umfassendes Messnetz im küstennahen Bereich der Nordsee sowie später im arktischen Meer entstehen: das Coastal Observation System for Northern and Arctic Seas, kurz COSYNA. Koordiniert wird dieses Großprojekt von den Küstenforschern des GKSS-Forschungszentrums Geesthacht. Im kommenden Jahr soll eine Machbarkeitsstudie prüfen, wie das neue Monitoring-Netz transnational mit den unterschiedlichen Partnern umgesetzt werden kann. Waverider-Boje

2 6 II Inhalt Inhalt II 7 Zu den größten Problemen der Küsten und Meere zählen derzeit Überfischung, Überdüngung und der Eintrag schädlicher Stoffe. Messpfahl im Wattenmeer

3 8 II Titelthema Titelstory II 9 _ Die Meere bedecken rund 70 Prozent der Erdoberfläche, über mehr als Kilometern Länge erstrecken sich die Küstengebiete Kilometer Küste entfallen dabei auf Europa. Mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung lebt in den Küstengebieten. die Meere und Küsten erfüllen viele wichtige Funktionen. Die Küstengewässer sind zum Beispiel: > Nahrungslieferant > Klima-Regulator > Transportweg > Rohstoffquelle > Energiestandort > Raum für Erholung > Kohlendioxid-Speicher > Lebensraum für Pflanzen und Tiere Der Reichtum der Meere kann intelligent genutzt werden: Nachhaltiges Management der Küsten- und Meeresumwelt sichert entscheidend die Grundlagen für Mensch und Natur, und schädigende Auswirkungen auf die Meeresumwelt lassen sich vermeiden. Denn gleichzeitig stehen die Küsten unter Druck: Zu den größten Problemen der Küsten und Meere zählen derzeit Überfischung, Über - düngung und der Eintrag schädlicher Stoffe. Der globale Klimawandel stellt zudem die Küstenforschung vor ganz neue Herausforderungen. Noch ist in vielen Teilbereichen nicht ausreichend erforscht, wie sich das Küstenökosystem durch die unterschiedlichen Eingriffe verändern wird, erklärt GKSS-Institutsleiter und Sprecher der COSYNA-Lenkungsgruppe Prof. Dr. Franciscus Colijn. Zu komplex und vielgestaltig verhalten sich die verschiedenen Ökosysteme mit ihren zahlreichen Wechselwirkungen. Diese Schwierigkeiten und der unsichere Blick in die Zukunft verdeutlichen, wie wichtig es heute ist, vergleichbare und gesicherte Daten zum Zustand der Meere und Küsten zu erfassen. Nur mit guten Datensätzen lassen sich verwertbare Modelle und Szenarien ableiten. Unter der Leitung des Instituts für Küstenforschung wird derzeit am GKSS-Forschungszentrum ein Nordsee- Beobachtungs-System entwickelt: das Coastal Observation System for Northern and Arctic Seas, kurz COSYNA. In diesem Projekt werden mithilfe von Mess-Bojen, festen und beweglichen Sensoren, automatischen Messeinheiten auf Schiffen, Satellitenbeobachtungen und Radaranlagen Daten wie zum Beispiel Fließgeschwindigkeit, Temperatur, Wellenhöhe, Nährstoff- oder Chlorophyll-Gehalt erfasst und im Datenzentrum in Geesthacht ausgewertet. Die aufbereiteten Daten sollen danach online auch für andere wissenschaftliche oder öffentliche Einrichtungen verfügbar sein. Langfristiges Ziel von COSYNA ist es, eine Monitoring-Technik zu entwickeln, die eine zuverlässige Erfassung und spätere Vorhersage der Vorgänge in den nördlichen Meeren ermöglicht, so Prof. Dr. Franciscus Colijn. Dazu setzt man auf vorhandene Technologie sowie die Kenntnisse im Bereich Modellierung, die die Küstenforscher aus Geesthacht zum Teil entwickelt haben und bereits nutzen. Langfristiges Ziel von COSYNA ist es, eine Monitoring-Technik zu entwickeln, die eine zuverlässige Erfassung und spätere Vorhersage der Vorgänge in den nördlichen Meeren ermöglicht. Prof. Dr. Franciscus Colijn

4 10 II Titelstory Problem: Überdüngung Mithilfe der Datenanalysen und mathematischen Modellen untersuchen die Geesthachter Küstenforscher grundlegende ökologische und biogeochemische Fragen: Untersuchungen zur Überdüngung zum Beispiel. Gemessen werden dabei insbesondere die Elemente Kohlenstoff, Phosphor, Sauerstoff und Stickstoff. Doch auch andere Parameter, wie zum Beispiel Salzgehalt, Schwebstoffgehalt oder Temperatur, liefern Daten, die Klarheit über den Zustand der Meere geben. Gleichzeitig liefern sie die Grundlage, um die komplexen biologischen, physikalischen, chemischen und geologischen Prozesse zu verstehen. Titelthema II 11 Doch wie verändert sich der Zustand in Zukunft, wenn zum Beispiel die Temperatur steigt? Um das zu beantworten, sind aussagefähige und verlässliche Abschätzungen mithilfe von Ökosystemmodellen nötig. Aus der fortlaufenden Untersuchung des aktuellen Zustands des Lebensraums Küste leiten die Küstenforscher seine Empfindlichkeit gegenüber natürlichen und menschlichen Einflüssen und daraus letztlich künftige Szenarien ab. GKSS-Küstenforscher verfolgen die Fächerecholot-Untersuchung an Bord der Ludwig Prandtl Sedimentprobe Vernetzbarkeit durch Studie Der COSYNA-Projektstart ist für Januar 2009 angesetzt. Insgesamt stellt die Helmholtz-Gemeinschaft Gelder in Höhe von mehr als zwölf Millionen Euro für COSYNA zur Verfügung. Das Gesamtprojekt ist auf eine Laufzeit von ungefähr zwanzig Jahren angelegt. Die ersten vier bis fünf Jahre dienen der Anlaufphase, in denen die Instrumente und die Auswerteroutinen beziehungsweise Simulationssysteme aufeinander abgestimmt werden müssen. Sobald die Gelder bewilligt sind, starten wir die Machbarkeitsstudie, sagt dazu COSYNA-Lenkungsgruppenmitglied Prof. Dr. Kai Wirtz. Die Studie soll aufzeigen, wie stark COSYNA mit vergleichbaren Systemen anderer Nordseestaaten verknüpft werden kann und welche Voraussetzungen hierfür erfüllt sein müssen. Meeresströmungen kennen keine Staatsgrenzen. Nicht zuletzt dient die Studie dazu, diesem Umstand in einer gemeinsamen, transnationalen Anstrengung von Partnerorganisationen in zum Beispiel Dänemark, den Niederlanden oder Großbritannien Rechnung zu tragen. Plattform für die deutsche Meeresforschung Die Entwicklung des für Deutschland einmaligen Projekts erfolgt in enger Abstimmung mit dem Konsortium Deutsche Meeresforschung (KDM) und den zuständigen Überwachungsbehörden von Bund und Ländern. Ein gewisser Anteil der Investitionen stehen deshalb den Partnern im KDM zur Verfügung. Sie sollen aktiv und deutlich an diesem neuen Messinstrument partizipieren. So gibt es bereits konkrete Planungen bezüglich eines Sonderforschungsbereichs an der Universität Oldenburg. Und natürlich profitieren in Zukunft die Mitarbeiter des Instituts für Küstenforschung in Geesthacht von dem neuen Messnetz: COSYNA ist richtungweisend und kann identitätsstiftend für unser Institut sein, erklärt Prof. Dr. Franciscus Colijn. Durch die neue Struktur haben wir die Chance, die diversen Forschungsbereiche unter dem Dach COSYNA zu vereinen. Denn ein Großteil der Instrumente, Methoden oder Auswertverfahren wird bereits erfolgreich bei der GKSS eingesetzt. Im Unterschied zum entstehenden Messnetz hat man heute nur die Möglichkeit, einzelne Messwerte zu einem definierten Zeitpunkt zu bestimmen, etwa bei Messfahrten. Um bessere Voraussagen für den Zustand der Nordsee liefern zu können, benötigen wir kohärente Daten. Die Messpunkte einzelner Kampagnen reichen dazu nicht aus, erklärt Institutsleiter Colijn. Erst anhand langfristiger Zeitreihen lassen sich Zusammenhänge zwischen bestimmten Ereignissen richtig zuordnen.

5 12 Titelthema II 13 Datenprozessing Stärke der GKSS Die Helmholtz-Gemeinschaft hat sich für das GKSS- Forschungszentrum als COSYNA-Koordinator entschieden, da hier die Voraussetzungen existieren, so ein Groß projekt zu managen: Nicht allein zu messen und Daten zu erheben, sondern gerade diese Daten auszuwerten, daraus Modelle zu entwickeln und Szenarien für die Zukunft abzuleiten, zählen zu den Stärken der GKSS. Dazu Prof. Dr. Kai Wirtz, Abteilungsleiter Ökosystemmodelierung : Die Geesthachter Forscher erheben die Daten und veredeln diese. Das ist wie beim Wein: Die Trauben zu ernten reicht nicht aus, wir müssen auch Wein da raus machen. Für das Wattenmeer existiert bereits ein operationelles Monitoring-System: das Sensitivitätsraster Deutsche Nordseeküste. Mit dem System lässt sich bestimmen, welche Gebiete im Watt im Falle einer Havarie am dringlichsten vor Öl geschützt werden müssen. Unzählige Messparameter, darunter Salz- oder Chlorophyllgehalt aus unter anderem Feldkartierungen und Satellitendaten, wurden dafür von den Geesthachter Küstenforschern erfasst. Alle erfassten Parameter wurden in ein speziell für die Empfindlichkeit gegenüber Ölunfällen entwickeltes Bewertungsmodell eingespeist. Für alle vier Jahreszeiten wurden entsprechende Empfindlichkeitsklassen berechnet. Heute arbeiten die zuständigen Behörden erfolgreich mit dem Modell. In anderen angesiedelten Projekten werden mithilfe von Wetterdaten und Computermodellen Rekonstruktionen des Seegangs und des Sturmflutgeschehens in der Nordund Ostsee erzeugt. Diese ermöglichen zum Beispiel eine detaillierte Beschreibung der Veränderlichkeit des Sturmflut- und Seegangsklimas der vergangenen 50 Jahre. Danach hat beispielsweise die Höhe der größten Wellen in der Deutschen Bucht von 1958 bis etwa 1995 um etwa zehn Prozent zugenommen, während für die Zeit nach 1995 ein deutlicher Rückgang zu beobachten ist. Solche Kenntnisse sind eine entscheidende Voraussetzung, um mögliche zukünftige Änderungen einschätzen und bewerten zu können. Von der Beobachtung zum Verständnis Beobachten Daten aufbereiten Daten analysieren > automatisierte Systeme (Radar, FerryBox, Messboje, Scanfish, etc.) > Satellitendaten > Schiffskampagnen Messen von > Fließgeschwindigkeit > Temperatur > Wellenhöhe > Chlorophyll-, Schwebstoff- und Salzgehalt > ph-wert > Sauerstoff > Nährstoffgehalt > Kohlendioxid etc. > Konsistenz überprüfen > Datenumwandlung und Übertragung > Speicherung > Qualitätsübertragung > Grafische Aufbereitung > Kartenerstellung > Statistische Trendanalyse > Extrapolation durch Modelle, modellgestütze Vorhersagen und Szenarien > Informationsgewinn für Forschungsprojekte sowie private, behördliche und kommerzielle Nutzer > Küstenmanagement optimieren Durch die FerryBox erfasster Salzgehalt in FerryBox auf Containerschiff LysBris, Route: HH CUX Chatham (GB) Immingham (GB) Moss (N)

6 14 II Titelthema > ENVISAT Beobachten und auswerten Außer auf Datenassimilation und Modellierung setzen die Geesthachter Wissenschaftler zum Aufbau des Messnetzes auf etablierte Instrumente der Küstenforschung: COSYNA Coastal Oberservation System for Northern and Arctic Seas instrumente der küstenforschung zielsetzung > Forschungsschiffe Die Ludwig Prandtl ist das Flachwasser-Forschungsschiff des GKSS-Forschungszentrums. Durch seinen geringen Tiefgang ist es besonders für Forschungsarbeiten in den, durch die Tide beeinflussten Bereichen der Elbe und des Wattenmeeres geeignet. Zu den Haupteinsatzgebieten zählen neben der offenen Nord- und Ostsee viele Flussmündungen und Boddengewässer. Das Boot verfügt über ein Fächerecholot zur Vermessung des Meeresbodens sowie einen Mehrzweck-Laborraum. An Bord befindet sich zudem eine FerryBox. Die FerryBox des GKSS-Forschungszentrums: An Bord von Fähr- und Frachtschiffen analysiert das autarke Messsystem das Seewasser. Die in das Schiff inte grierte FerryBox misst dabei mithilfe von Sensoren selbsttätig zum Beispiel den Salzgehalt, die Wassertemperatur, Schwebstoffe und die Algenkonzentration. Die FerryBox ist über Satellit oder Mobilfunk mit der Landstation in Geesthacht verbunden. Die erfassten Daten über die Wasserqualität verschickt die Messbox einfach an die Landstation. Die Zahlenreihen für zwei Fährlinien werden bereits unmittelbar in das Internet gestellt und stehen so Küstenforschern weltweit zur Verfügung. Unter Verknüpfung von Beobachtungen und Modellen werden: > aktuelle Umweltzustände erfasst, zum Beispiel Phytoplankton, Sandbewegungen, Stoffflüsse > Vorhersagemodelle für physikalische, chemische und biologische Systemgrößen entwickelt > langfristig Auswirkungen des Klimawandels und menschlicher Eingriffe dokumentiert > eine Gesamtschau des aktuellen Zustands geschaffen sowie Szenarien möglicher Entwicklungen abgeleitet, um notwendige Informationen für das Küstenmanagement zu gewinnen > Scanfish > FerryBoxen > X-Band Radar-Stationen > Forschungsplattform > Waverider-Bojen > Wattenmeer-Pfähle Mit den Methoden der Radarhydrographie lassen sich flächendeckend und kontinuierlich Seegang, Strömung und Wind beobachten. Mit den Radarmessungen werden zum Beispiel die Erosion und der Sandtransport in küstennahen Bereichen, etwa an der Westküste Sylts, gemessen. Die Radarmessung von Wellenkämmen soll Klarheit über das Verhalten von großen steilen Wellen auf See schaffen sowie die Auswirkungen von Offshore-Bauwerken wie Windkraftanlagen auf den Seegang untersuchen. Das neue Verfahren wurde von Wissenschaftlern des GKSS-Forschungszentrums entwickelt und wird auf der Forschungsplattform FINO3 erstmals in der offenen Nordsee im Dauereinsatz getestet. Mit einer Schleppsonde, einem so genannten ScanFish, lassen sich vertikale Unter suchungen routiniert durchführen. Neben Leitfähigkeit, Temperatur und Druck sind Sensoren zur Untersuchung der Verteilung und Zusammensetzung von Phytoplankton und abiotischen Schwebstoffen (Sedimenten) integriert. leitfragen > Wie ändern sich langfristig Intensität und Verteilung von Strömung, Seegang, Temperatur, Salz- und Säuregehalt? > Wie ändert sich der biogeochemische Zustand des Wattenmeers und der Nordsee? > Was steuert das Auftreten von Algenblüten oder Quallenschwärmen? > Welche Bedeutung haben Einzelereignisse für die Langzeitdynamik? > Datenanalyse, > Kartenerstellung, > modellgestützte Vorhersagen > und Szenarien > Stationäre FerryBoxen Informationen über die oberflächige Verteilung der Temperatur, von Schwebstoffen oder des Phytoplanktons (Algen) gewinnt man mittels Satelliten. ENVISAT von der europäischen Weltraumbehörde ESA zum Beispiel überfliegt die Nordsee, dabei entstehen Karten mit einer hohen räumlichen Auflösung. Bei dem auf ENVISAT installierten Messgerät, dem Spektrometer MERIS, liegt diese bei 300 Metern. An der (Weiter-)Entwicklung von MERIS ist die GKSS beteiligt.