BSH

Gesamtaufnahme Nordsee

Den aktuellen Zustand erfassen und langfristige Signale erkennen

Die Nordsee ist in ihren ozeanographischen Zustandsgrößen wie Oberflächen- und Volumentemperatur, Salzgehalt und Schichtung ein hochvariables Meeresgebiet. Ein Teil dieser Variabilität wird ihr vom Atlantik, dem baltischen Ausstrom ins Skagerrak und von der Atmosphäre aufgeprägt. Um den Zustand der Nordsee zuverlässig zu bewerten, muss man die gesamte Nordsee quasi-synoptisch dreidimensional vermessen. Seit 1998 führt das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) deshalb im Sommer zum Zeitpunkt der maximalen Schichtung eine ozeanographisch-chemische Aufnahme der gesamten Nordsee zwischen 51° und 60° nördlicher Breite durch.

Ziel der Fahrten und Verwendung der gewonnenen Daten

Ziel der Forschungsfahrten ist die Beschreibung und Bewertung des aktuellen ozeanographischen und chemischen Gesamtzustands der Nordsee. Dazu gehört die Berechnung der Wärme- und Salzbilanz (wieviel Wärme und Salz ist in der gesamten Nordsee vorhanden) und die Unterscheidung langfristiger klimabedingter Signale von der starken natürlichen zwischenjährlichen bis multidekadischen Variabilität der Nordsee.

Die gewonnenen Datensätze dienen ferner der Validierung und Plausibilisierung von operationellen- und Klimamodellen, sowie zur Validierung von satellitenbasierten optischen Fernerkundungsdaten (wie Chlorophyll, Sichttiefe, Gelbstoff, Trübung), die zunehmend für die aktuellen flächendeckenden Zustandsbewertungen eingesetzt werden. Nach der Aufarbeitung, Qualitätskontrolle und Analyse der auf See gewonnen Daten und Proben werden die Daten an das Deutsche Ozeanographische Datenzentrum (DOD) abgegeben und fließen in die aktuellen Zustandsbewertungen der Nordsee ein.

Zudem führt das BSH weitere regelmäßige Überwachungsfahrten auf Nord- und Ostsee durch. Auf etwa 5 bis 6 Fahrten pro Jahr wird die Ausschließliche Wirtschaftszone (AWZ) in beiden Meeren beprobt. Im Rahmen von nationalen und internationalen Projekten werden auch klimarelevante Messungen im tiefen Nordatlantik durchgeführt. Auf diesen Reisen wird sowohl schiffsgebundene Messungen durchgeführt, als auch Tiefseeverankerungen mit Geräten zur Erfassung der Temperatur, des Salzgehaltes und der Strömungen für die Dauer von etwa einem Jahr ausgebracht.

Forschungsfahrten des BSH in der Nordsee zum Zeitpunkt der maximalen Schichtung (1998-2018)

Zeitraum der AufnahmeSchiff und ReisenummerDistanz [sm]Fahrtbericht
24.06.1998 - 16.07.1998R/V Gauss 317ca. 2600
02.07.1999 - 22.07.1999R/V Gauss 335ca. 2600
09.08.2000 - 23.08.2000R/V Gauss 353ca. 2600
11.07.2001 - 02.08.2001R/V Gauss 370ca. 2600
16.07.2002 - 31.07.2002R/V Gauss 385ca. 2600Fahrtbericht 2002 (PDF, 1MB, Datei ist nicht barrierefrei)
28.07.2003 - 13.08.2003R/V Gauss 405ca. 2600Fahrtbericht 2003 (PDF, 260KB, Datei ist nicht barrierefrei)
05.08.2004 - 20.08.2004R/V Gauss 425ca. 2600Fahrtbericht 2004 (PDF, 1MB, Datei ist nicht barrierefrei)
10.08.2005 - 29.08.2005R/V Gauss 446ca. 2600Fahrtbericht 2005 (PDF, 2MB, Datei ist nicht barrierefrei)
02.08.2006 - 20.08.2006R/V Gauss 463ca. 2600Fahrtbericht 2006 (PDF, 2MB, Datei ist nicht barrierefrei)
03.08.2007 - 17.08.2007R/V Pelagia 273 ca. 2600Fahrtbericht 2007 (PDF, 1MB, Datei ist nicht barrierefrei)
21.07.2008 - 05.08.2008R/V Pelagia 2932715Fahrtbericht 2008 (PDF, 3MB, Datei ist nicht barrierefrei)
20.08.2009 - 09.09.2009R/V Pelagia 3113610Fahrtbericht 2009 (PDF, 5MB, Datei ist nicht barrierefrei)
04.08.2010 - 22.08.2010R/V Pelagia 3233310Fahrtbericht 2010 (PDF, 1MB, Datei ist nicht barrierefrei)
08.08.2011 - 28.08.2011R/V Celtic Explorer 110103220Fahrtbericht 2011 (PDF, 3MB, Datei ist nicht barrierefrei)
07.08.2012 - 30.08.2012R/V Celtic Explorer 120113500Fahrtbericht 2012 (PDF, 1MB, Datei ist nicht barrierefrei)
10.08.2013 - 04.09.2013R/V Celtic Explorer 130124090Fahrtbericht 2013 (PDF, 1MB, Datei ist nicht barrierefrei)
01.08.2014 - 25.08.2014R/V Celtic Explorer 140123470Fahrtbericht 2014 (PDF, 1MB, Datei ist nicht barrierefrei)
07.08.2015 - 30.08.2015R/V Celtic Explorer 150133580Fahrtbericht 2015 (PDF, 3MB, Datei ist nicht barrierefrei)
03.08.2016 - 26.08.2016R/V Celtic Explorer 160114000Fahrtbericht 2016 (PDF, 3MB, Datei ist nicht barrierefrei)
11.08.2017 - 03.09.2017R/V Celtic Explorer 170133600Fahrtbericht 2017 (PDF, 4MB, Datei ist nicht barrierefrei)
28.08.2018 - 13.09.2018R/V Celtic Explorer 180193100Fahrtbericht 2018 (PDF, 4MB, Datei ist nicht barrierefrei)

Stationsnetz

Forschungschiffe (Gauss, Pelagia, Celtic Explorer) Forschungschiffe. Links: Gauss, Mitte: Pelagia, rechts: Celtic Explorer

Das historische Kernprogramm besteht aus etwa 50 CTD-Stationen (Conductivity, Temperature, Depth) auf einem festen Stationsraster. Die Stationen dienen der Erfassung der Vertikalprofile der wichtigsten ozeanographischen Parameter wie Temperatur, Salzgehalt, Sauerstoff, Trübung und Chlorophyll. Dies geschieht mit einer sogenannten CTD, die die Leitfähigkeit (Conductivity), Temperatur und über den Druck die Tiefe (Depth) misst.

Methoden

Von 1998 bis 2014 wurden auf den Strecken zwischen den CTD-Stationen auch geschleppte CTD-Systeme eingesetzt, die zwischen der Oberfläche und dem Boden oszillieren konnten. Aufgrund technischer Probleme und geänderter Anforderungen wurden die Schleppsysteme 2015 aufgegeben. Zur Kompensation wurden zusätzliche Stationen in das Stationsnetz eingefügt.

Seit 2009 wurde das Stationsnetz um weitere Transitstationen zur Untersuchung des Seewassers auf künstliche Radionuklide erweitert. Auf diesen Stationen stoppte das Schiff nicht auf, sondern es wurden während der Fahrt Seewasserproben aus der Seewasserleitung genommen. Ab 2015 wird das Schiff auch auf diesen Stationen aufgestoppt und von den anderen Arbeitsgruppen als reguläre CTD-Station mit beprobt.

Um die physikalischen Austauschprozesse im Übergangsbereich zwischen Nordsee und Atlantik besser zu erfassen, wurde in den Jahren 2010 bis 2015 die Aufnahme um die Stationen nördlich von 60°N erweitert. Seit 2016 wurde statt dessen der 60°-Nord-Schnitt bis 8° W nach Westen erweitert, um den östlichen Randstrom an der Schelfkante besser zu erfassen. Dessen Wassermassen vermischen sich mit dem am Nordrand der Nordsee einströmenden Atlantikwasser und modifizieren so ebenfalls den physikalischen Zustand der Nordsee.

Von 1998 bis 2006 wurden die Nordsee-Aufnahmen mit dem BSH-eigenen Forschungsschiff Gauss durchgeführt. Nach Außerdienststellung der Gauss wurde von 2007 bis 2010 das niederländische Forschungsschiff Pelagia vom NIOZ gechartert und ab 2011 die irische Celtic Explorer vom Marine Institute in Galway.

Entwicklung des Stationsnetzes

Die roten Stationen bilden das „Kernnetz“, das seit 1998 jährlich beprobt wird. Später wurde das Netz sukzessive erweitert und den aktuellen Überwachungsanforderungen angepasst. Die Stationen nördlich von 60°N wurden in den Jahren 2010-2015 im Rahmen der Projekte „RACE I und II – Regional Atlantic Circulation and Global Change“ beprobt, um die Austauschprozesse zwischen der Nordsee und dem Nordost-Atlantik genauer zu untersuchen. Ab 2016 wurde der 60°N-Schnitt bis 8°W verlängert, um den Östlichen Randstrom an der Schelfkante mit zu erfassen, dessen variierende Wassermasseneigenschaften die ozeanographischen Bedingungen in der Nordsee mit beeinflussen. Die Stationen im Englischen Kanal und im Skagerrak (grüne Punkte) werden zurzeit im jährlichen Wechsel beprobt, primär zur Erfassung der künstlichen Radionuklide. Auch die Stationen im Northern Minch zwischen Schottland und den Äußeren Hebriden sind Teil des Radioaktivitätsmessnetzes.

CTD-Sonde

Zu den wichtigsten Geräten an Bord eines Forschungsschiffes gehört eine CTD-Sonde. Die Abkürzung CTD kommt aus dem Englischen und steht für die drei wichtigsten Messgrößen, die das Gerät bestimmt: C steht für die Leitfähigkeit (Conductivity), T für Temperatur und D für die Tiefe (Depth), die über den Druck bestimmt wird. Aus diesen drei Parametern lässt sich auch der Salzgehalt berechnen, je mehr Salz im Meerwasser enthalten ist, desto höher ist seine Leitfähigkeit.

In der Regel wird die CTD-Sonde mit einem Kranzwasserschöpfer kombiniert. Dieser ermöglicht es, je nach Größe der eingesetzten Flaschen, eine bestimmte Anzahl von Wasserproben in ausgewählten Tiefen zu entnehmen. Ist die Sonde wieder an Bord, können aus diesen Flaschen Wasserproben für die Analyse chemischer und/oder biologischer Inhaltsstoffe entnommen werden.

Diese Vorgehensweise können Sie im Video " Einsatz eines Kranzwasserschöpfers" beobachten.

Sonde und Kranzwasserschöpfer hängen an einem speziellen Drahtseil, das über einen inneren isolierten Leiter beide Geräte mit Strom versorgt und gleichzeitig die Messdaten an einen Rechner auf dem Schiff überträgt. Auf den Messpositionen stoppt das Schiff auf und Sonde und Kranzwasserschöpfer werden über eine Winde langsam bis dicht über den Meeresboden in Wasser gelassen. Dabei sind in der Regel alle Flaschen des Wasserschöpfers oben und unten geöffnet, nur einige Spezial-Schöpfer für spezielle Analysen öffnen sich erst bei der Probenahme. Die Wissenschaftler an Bord sehen auf einem Bildschirm, wie sich Temperatur und Salzgehalt mit der Tiefe ändern. Oft ist die CTD auch mit Sensoren für Chlorophyll, Gelbstoff, Trübung oder Sauerstoff bestückt, auch diese Parameter werden dann auf dem Bildschirm dargestellt. Anhand dieser Darstellung können die Wissenschaftler entscheiden, in welchen Tiefen sie Wasserproben entnehmen wollen. Wird die Sonde wieder an Bord gehievt, können die Flaschen des Kranzwasserschöpfers in den gewünschten Tiefen gezielt geschlossen werden.

Weitere schiffsgebundene Messmethoden

Bis etwa 2012/2013 hat das BSH auch spezielle Einwegsonden zur Messung eines Temperatur- beziehungsweise eines Temperatur- und Salzgehaltsprofils vom fahrenden Schiff aus eingesetzt. Diese relativ preiswerten „Expendable BathyThermographs“ (XBTs) beziehungsweise „Expendable Conductivity, Temperature, Depth“ (XCTDs) bestehen aus einer etwa 35 cm langen raketenförmigen Messsonde, die über einen sehr dünnen Draht mit einer kleinen Abwurfvorrichtung elektrisch verbunden ist. Fällt die Sonde in die Tiefe, spult sich dieser Draht sowohl von einer Spule im Inneren der Sonde, als auch von einer zweiten Spule innerhalb der Abwurfvorrichtung ab.

Ist die über die Drahtlänge vorgegebene Maximaltiefe erreicht, reißt der Draht, die Verbindung zum Schiff ist unterbrochen und die Sonde fällt auf den Meeresboden. Ein mit der Abwurfvorrichtung verbundener Rechner speichert die Messdaten, so dass diese nach der Messung über Satellit an eine Landstation übertragen und von dort als Echtzeit-Daten in ein weltweites Datennetz eingespeist werden können.

XBTs werden nicht nur auf Forschungsschiffen eingesetzt, sondern auch auf anderen Schiffen, die sich dazu bereit erklärt haben. Bei diesen sogenannten Ships-Of-Opportunity handelt es sich beispielsweise um auf festen Routen fahrende Handelsschiffe oder Fähren. Heute werden diese Messungen in großem Umfang durch Daten von profilierenden Floats aus dem operationellen Ozeanbeobachtungsprogramm Argo ersetzt.

Das „System Nordsee“

Die Nordsee ist ein relativ flaches Schelfmeer, dessen physikalischer Zustand – primär charakterisiert durch die räumliche Verteilung von Salzgehalt und Temperatur – in weiten Teilen durch den Austausch von Wassermassen mit dem Atlantik über den nördlichen offenen Rand der Nordsee bestimmt wird. Die südwestliche Nordsee ist durch den flachen Englischen Kanal und durch die Straße von Dover mit dem Atlantik verbunden. Der Einfluss über den Kanal ist bezogen auf die gesamte Nordsee zwar deutlich geringer, aber wesentlich für die flache südliche Nordsee. Die Ostsee ist über das Skagerrak und Kattegat, sowie über den Großen und den Kleinen Belt und den Sund mit der Nordsee verbunden. Der Baltische Ausstrom mit seinen geringen Salzgehalten prägt deutlich die ozeanographischen Verhältnisse über der Norwegischen Rinne. Weitere Einflussfaktoren sind unter anderem die kontinentalen Süßwasserabflüsse, der Wärmeaustausch mit der Atmosphäre (Globalstrahlung) und das Verhältnis von Niederschlag und Verdunstung. Aufgrund dieser vielen Wechselwirkungen spricht man auch vom „System Nordsee“.

Alle Einflussfaktoren weisen sowohl starke saisonale als auch zwischenjährliche Schwankungen auf. Durch die saisonale Erwärmung baut sich im Frühjahr eine warme Deckschicht auf, so dass die Nordsee bis etwa Ende September thermisch geschichtet ist und eine Thermokline, eine thermische Sprungschicht, ausbildet. Die Schärfe der Thermokline und die Dicke der Deckschicht können sowohl regional als auch von Jahr zu Jahr deutlich variieren. In Gebieten mit Wassertiefen geringer als 25–30 m verhindern die bodennahe Gezeitenreibung und die windinduzierte Vermischung an der Oberfläche die Schichtung und der Wasserkörper bleibt überwiegend vertikal durchmischt. Beide Gebiete werden durch eine sogenannte Tidal Mixing Front getrennt.