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Forschung & Projekte

Langzeitbeobachtungen des Marinen Ökosystems
Die vom Helmholtz-Zentrum Hereon betriebenen FerryBox-Systeme. -Bild: Wilhelm Petersen/Hereon-

Die vom Helmholtz-Zentrum Hereon betriebenen FerryBox-Systeme. -Bild: Wilhelm Petersen/Hereon-

Das Verständniss der Prozesse in der Meeresumwelt beruht weitestgehend auf Beobachtungen von zeitlich begrenzten einzelnen Messkampagnen (z. B. Forschungsreisen) oder ist auf Zeitreihen an einer festen Position wie z. B. Bojen beschränkt. Eine umfassendere Erforschung und Analyse mariner biogeochemischer Prozesse ist nur möglich, wenn Szenarien (z.B. Extremereignisse oder klimainduzierte Veränderungen) durch Beobachtungen auf Forschungsschiffen- sowie mit automatisierten Messsystemen auf kommerziellen Schiffen , Fernerkundungsmessungen (Radar, Satellit) und festen Stationen (Bojen, Messpfähle) im marinen Ökosystem besser verstanden und prognostiziert werden können.

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Installation einer FerryBox an Bord des Frachtschiffs Hafnia Seaways. -Bild: KC/Hereon-

Die Abteilung Produktivität der Küsten verwendet Daten der FerryBoxen zur Durchführung von Langzeitmessungen der Wasserqualität entlang der gesamten südlichen Nordsee, wobei der Schwerpunkt auf dem Kohlenstoffkreislauf liegt.
Um die Zuverlässigkeit der Messdaten zu gewährleisten, werden die Beobachtungen zunächst einer automatisierten Qualitätskontrolle unterzogen, bevor sie weitestgehend in Echtzeit in eine Datenbank übertragen werden. Für einige Parameter (z.B. gelöster Sauerstoff, Salzgehalt usw.) werden zusätzlich Wasserproben entlang der FerryBox- Routen gesammelt, im Labor analysiert und dann zur weiteren Qualitätskontrolle mit den FerryBox-Messungen verglichen.
Statistische Methoden wie Zeitreihenanalyse werden in Kombination mit numerischen Modellen (einschließlich Ökosystemmodellen) auf die Langzeitbeobachtungen angewendet, um saisonale und regionale Muster in der Nordsee zu untersuchen.

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Zeitserie von pCO2. Messungen entlang des Transsekts von Halden (NO) nach Zeebrügge (BE). -Bild: http://ferrydata.hereon.de / Hereon-

Darüber hinaus kann ein Vergleich der FerryBox- Daten mit Satellitendaten genutzt werden, um größere räumliche Variationen bestimmter Variablen wie Chlorophyll-a zu verstehen.
Nur durch eine kontinuierliche Überwachung mariner Prozesse über viele Jahre können so subtile Veränderungen in den Küstengewässern aufgeklärt und bewertet werden. Darüber hinaus können diese räumlich und zeitlich hochaufgelösten Langzeitbeobachtungen die Hintergrundinformationen liefern, um die Auswirkungen verschiedener Szenarien (z. B. Extremereignisse oder klimainduzierte Veränderungen) in marinen Ökosystemen im Detail zu untersuchen.

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(a) Kontinuierlich gemessene pCO2 während der Überfahrten im Skagerrak im Herbst 2016. Rot: ICOS Messnetz (pCO2 Messungen min einem showerhead equilibrator system); Schwarz & blau: FerryBox Messungen (pCO2 Messungen mit einem Membransystem). Blau wurde verwendet, um die Überfahrten mit den höchsten pCO2-Werten zu kennzeichnen (b) Karte der verwendeten Transekte (c) Sauerstoffsättigung und (d) pH-Werte entlang der Transekte (NBS-Skala)
Bild: aus Macovei et al. (2021a) KCP / Hereon-

Der Betrieb von FerryBoxen auf Handelsschiffen ermöglicht die Beobachtung von Veränderungen in Oberflächengewässern auf verschiedenen Zeitskalen: z. B. saisonale und jährliche Veränderungen von Salzgehalt, Temperatur, gelöstem Sauerstoff, pH-Wert und Algen. Auch regionale Charakteristika wie Lokation und Eigenschaften von Wassermassen können so ermittelt werden. In einer Studie im Skagerrak zwischen Dänemark und Norwegen wurden die von der FerryBox gemessenen Kohlendioxid Konzentrationen (pCO2, schwarz) mit den pCO2 Daten des ICOS-Netzes (Integrated Carbon Observation System, rot) verglichen. Die Studie ergab bei zeitgleichen Messungen am selben Ort übereinstimmende Ergebnisse (Mitte September und Ende Oktober 2016). Als jedoch das Schiff mit der FerryBox an Bord auf einer etwas östlicheren Route fuhr (blau), erfasste es eine Wassermasse mit einer deutlich anderen chemischen Signatur (höherer pCO2-Wert, geringerer Sauerstoffgehalt und niedrigerem pH), was unterstreicht, wie dynamisch die Meeresumwelt der Küste sein kann.

Siehe auch Macovei et al. (2021)

Kohlenstoffkreislauf
Extremereignisse
Entwicklung neuer Messinstrumente

Projekte

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CARBOSTORE
Carbon Storage in German Coastal Seas – Stability, Vulnerability and Perspectives for Manageability
CARBOSTORE (Carbon Storage in German Coastal Seas – Stability, Vulnerability and Perspectives for Manageability) ist ein vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördertes Verbundprojekt im Forschungsprogramm „MARE:N – Küsten-, Meeres- und Polarforschung für Nachhaltigkeit“ unter dem Dach des Forschungsrahmenprogramms „Forschung für Nachhaltige Entwicklung“ (FONA).

Bezugnehmend auf die Ausschreibung des BMBF vom 26. Juli 2019 widmet sich CARBOSTORE im Besonderen der “Analyse von Wechselwirkungen physikalisch bedingter und biogeochemischer Kreisläufe (insbesondere CO2-Aufnahme/biologische Pumpe) unter dem kombinierten Einfluss des globalen Wandels und weiterer unmittelbar anthropogener Einflussfaktoren”. Dieser Frage wird für die beiden Randmeere Nordsee und Ostsee nachgegangen, deren Küstenverlauf zu Teilen durch deutsches Hoheitsgebiet führt.

Hauptziel von CARBOSTORE ist die Untersuchung der Stabilität und Verwundbarkeit verschiedener Kohlenstoffspeicher in den deutschen Nebenmeeren Nord- und Ostsee. Hierfür wird geprüft, ob und in welchem Maß Prozesse, die für die Kohlenstoffspeicherung verantwortlich sind, beeinflusst sind oder werden. Aufbauend auf diesen Untersuchungen der Verwundbarkeit, und unter Berücksichtigung relevanter gesetzlicher sowie sozio-ökonomischer Rahmenbedingungen, werden Perspektiven entwickelt, die die gezielte Erhöhung der Kohlenstoffspeicherung in Nord- und Ostsee, d.h., netto negative CO2-Emissionen, zum Ziel haben.


Weitere Informationen finden Sie auf der Website von CARBOSTORE.

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JERICO-NEXT
(Gemeinsames europäisches Forschungsinfrastrukturnetz für Küstenobservatorien - Neuartige europäische Expertisen für Küstenbeobachtungen)

Das Küstengebiet ist der produktivste und dynamischste Bereich der Weltmeere mit bedeutenden Ressourcen und Dienstleistungen für die Menschheit. JERICO-NEXT (33 Organisationen aus 15 Ländern) betont, dass die Komplexität des Küstenozeans nicht gut verstanden werden kann, wenn die Verbindung zwischen Physik, Biogeochemie und Biologie nicht gewährleistet ist. Eine solche Integration erfordert neue technologische Entwicklungen, die eine kontinuierliche Überwachung einer größeren Anzahl von Parametern ermöglichen. In der Kontinuität von JERICO (RP7) besteht das Ziel von JERICO-NEXT darin, ein solides und transparentes europäisches Netzwerk zu stärken und zu erweitern, das operationelle Dienstleistungen für die rechtzeitige, kontinuierliche und nachhaltige Bereitstellung von qualitativ hochwertigen Umweltdaten und Informationsprodukten in Bezug auf die Meeresumwelt bietet in europäischen Küstenmeeren.

Die Hauptziele von JERICO-NEXT bestehen darin, europäische Küstenforschungsgemeinschaften zu unterstützen, freien und offenen Zugang zu Daten zu ermöglichen, die Bereitschaft neuer Beobachtungsplattformnetzwerke durch die Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Sensoren zu erhöhen und die Praxisnähe der entwickelten Beobachtungstechnologien zu demonstrieren, und Strategien und einen mittelfristigen Fahrplan für Küstenobservatorien durch einen ständigen Dialog mit den Interessengruppen vorzuschlagen. JERICO-NEXT basiert auf einer Reihe von technologischen und methodischen Innovationen. Ein Hauptinnovationspotential besteht darin, einen einfachen Zugang zu einer großen Anzahl validierter entscheidender Informationen zu ermöglichen, um die globalen Veränderungen in Küstengebieten zu verstehen.

Darüber hinaus bietet JERICO-NEXT einen koordinierten "kostenlosen" transnationalen Zugang zu Forschern oder Forschungsteams von Akademie und Industrie zu ursprünglichen Küsteninfrastrukturen, die vom Projektkonsortium betrieben werden. Von dieser Zugangsmöglichkeit wird erwartet, dass sie den Aufbau langfristiger Zusammenarbeit zwischen Nutzern fördert und die Innovation und den Transfer von Know-how im Küstenbereich fördert. Im Rahmen dieses Ansatzes bietet das Hereon verschiedene Forschungsplattformen an, darunter FerryBoxen, Glider und Kabelobservatorien (in Kooperation mit dem Alfred-Wegner-Institut (AWI)).


Weitere Informationen finden Sie auf der Website von JERICOnext.

NeXos-Logo_

NeXOS
(Web-fähige Sensoren der nächsten Generation zur Überwachung eines sich verändernden Ozeans)

Das NeXOS-Projekt zielte darauf ab, die zeitliche und räumliche Abdeckung, Auflösung und Qualität von Meeresbeobachtungen durch die Entwicklung kosteneffizienter innovativer und interoperabler In-situ-Sensoren zu verbessern, die von mehreren Plattformen aus eingesetzt werden können.
Dies wurde durch die Entwicklung neuer, kostengünstiger, kompakter und integrierter Sensoren mit mehreren Funktionen erreicht, einschließlich der Messung von Schlüsselparametern, die für eine Reihe von Zielen nützlich sind, von einer genaueren Überwachung und Modellierung der Meeresumwelt bis hin zu einer verbesserten Bewertung der Fischerei.
Diese Sensoren basieren auf optischen und akustischen Technologien und beziehen sich auf einen Großteil der Deskriptoren, die in der Meeresstrategie-Rahmenrichtlinie für einen guten Umweltzustand aufgeführt sind. Alle neuen Sensoren reagieren auf Multiplattform-Integration, Sensor- und Dateninteroperabilität, Qualitätssicherungs- und Zuverlässigkeitsanforderungen. Die Sensoren wurden kalibriert, auf verschiedenen Arten von Plattformen integriert, wissenschaftlich validiert und demonstriert.

Im Rahmen von NeXOS hat die Abteilung für Globale Küste einen Hyper-Spektralabsorptions-Sensor (HyAbS) entwickelt, der für einen automatisierten Betrieb in Durchflusssystemen wie der FerryBox optimiert wurde und Proxies von Phytoplankton-Biomasse, suspendierten Partikeln in der Wassersäule und Zusammensetzung von Phytoplanktonarten liefert. Darüber hinaus wird ein Sensor zur Messung von Parametern des Kohlenstoffkreislaufs (pH, Alkalinität und CO2) in Zusammenarbeit mit Norwegen weiter optimiert
Partner.

Weitere Informationen finden Sie auf der NeXOS-Website.

EnviGuard-Logo_

EnviGuard ist eine Antwort auf den wachsenden Bedarf an genauer Echtzeitüberwachung der Ozeane. Zudem benötigt die Aquakulturindustrie ein zuverlässiges und kosteneffektives Risikomanagement-Tool. Die Implementierung des EnviGuard-Systems ermöglicht die frühzeitige Erkennung schädlicher Algenblüten (HAB), chemischer Kontaminanten, Viren und Toxine und verhindert damit wirtschaftliche Verluste. Das modulare EnviGuard-System besteht aus drei verschiedenen Sensormodulen (Mikroalgen / Krankheitserreger, d. H. Viren und Bakterien / Toxine und Chemikalien), die an die gemeinsame Schnittstelle "EnviGuard Port" angeschlossen sind, die die Informationen sammelt und an einen Server sendet. Die Daten werden in Echtzeit über eine Website zugänglich sein. Die im Projekt entwickelten Biosensoren gehen weit über den aktuellen Stand der Technik in Bezug auf Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Einfachheit hinaus, indem sie Innovationen aus der Nanotechnologie und der Molekularbiologie kombinieren, die zur Entwicklung modernster Sensortechnologie führen.

Im Rahmen des EU-Projektes EnviGuard entwickelt das Alfred-Wegner-Institut (AWI) einen Biosensor zum Nachweis verschiedener Phytoplanktonarten für den Einsatz in FerryBox-Systemen weiter. Der Biosensor wird automatisierte Probenahme und Probenverarbeitung umfassen. Die Abteilung Globale Küste trägt zur Entwicklung dieses Biosensors bei, indem er den Sensor für die autonome Verwendung in Verbindung mit FerryBox-Systemen und Echtzeitdatenübertragung testet und optimiert.


Weitere Informationen finden Sie auf der Website EnviGuard.

Bilaterales Projekt China - Deutschland:
Kostengünstige Überwachung der Wasserqualität im nördlichen Gelben Meer


Die Umwelt im Gelben Meer zwischen China und der koreanischen Halbinsel wurde in den letzten Jahrzehnten dramatisch beeinträchtigt. Diese Umweltveränderungen sollen nun kontinuierlich beobachtet werden. Zu diesem Zweck wurde das Projekt "Wirtschaftliche Methoden zur Beobachtung der Wasserqualität im nördlichen Gelben Meer" gegründet und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.

Die Abteilung für In Situ Messsysteme verfügt mit ihrem FerryBox-System über ein automatisiertes, ökonomisches Messsystem für die großflächige Beobachtung.
Zusammen mit dem Institut für Küstenforschung in Yantai, China, demonstriert eine Fährlinie in der Bohai-Bucht die Anwendbarkeit der FerryBox zur Beobachtung der Wasserqualität im Gelben Meer.

Chinesische Wissenschaftler besuchen das Hereon zum Austausch von Wissen und zum Training der FerryBox, während die Abteilung für In Situ Messsysteme mit Hilfe einer tragbaren FerryBox zu verschiedenen Jahreszeiten verschiedene Messkampagnen an Bord einer Fähre in der Bohai Bay durchführt.

Ziel ist es, mit Hilfe von FerryBoxen und anderen Beobachtungsmethoden im Gelben Meer wirtschaftliche und kontinuierliche großräumige Wasserqualitätsbeobachtungen zu etablieren.