Wo die Ostsee den Himmel berührt - Luft-Meer-Interaktion in der Ostsee

07.07 - 14.07.2022 – Auf der Jagd nach k

Die Arbeitsgruppen der Universität von Hawaiʻi auf Mānoa, USA und vom GEOMAR, Kiel wollen mit Ihren Untersuchungen den Austausch von Treibhausgasen zwischen dem Ozean und der Atmosphäre bestimmen. Hierfür verwenden sie zwei unterschiedliche Techniken um den sog. Gas Transfer Koeffizienten, k zu bestimmen. Mit diesem Koeffizienten lässt sich der Fluss von Treibhausgasen wie Kohlenstoffdioxid (CO₂), Lachgas (N₂O), Methan (CH₄) und Dimethylsulfid (DMS) zwischen dem Ozean und der Atmosphäre berechnen.

Bei der von der Arbeitsgruppe Ho verwendeten Dual Tracer Methode werden zwei inerte Gase, Schwefelhexafluorid (SF₆) und das leichtere Isotop des Heliums (³He) in das Oberflächenwasser gegeben und die Konzentrationsänderung mit der Zeit bestimmt. Diese Technik erlaubt die Trennung des Gasaustauschs von der Durchmischung, um die Gastransfergeschwindigkeit zu berechnen. Die örtliche Bestimmung des Tracers gehört dabei zu unseren täglichen Aufgaben, um zwei Mal täglich (6 und 18 Uhr) mit unserer CTD (Tiefenschöpfer) Meerwasserproben aus dem Zentrum der Tracerwolke zu entnehmen. Das hört sich einfach an, doch da wir durch unsere „rasenmäherförmige“ Fahrt mal außerhalb und mal innerhalb des Tracergebietes sind, um die Grenzen der Ausbreitung zu bestimmen, kommt es häufig dazu, dass wir die Spur des Tracers verlieren und wiederfinden müssen (Abb. 1). Unser Motto ist deshalb: „Es ist schwierig zu planen, wann man etwas Verlorenes wiederfindet.“ Die diskreten Proben von SF₆ werden an Bord mit einem Gaschromatographen (GC) bestimmt, welcher mit einem Elektronen-Einfang-Detektor (ECD) ausgestattet ist. Die Proben von ³He werden hingegen erst später an Land mit einem Helium-Massenspektrometer untersucht.

Die Arbeitsgruppe Marandino vom GEOMAR Institut für Ozeanforschung Kiel führt für die Bestimmung von k Eddy-Kovarianz Messungen durch. Diese Technik erfordert eine schnelle und präzise Messung des vertikalen Windes und der gleichzeitigen (ebenso schnellen und präzisen) Messung der Gaskonzentrationen, welche zur Bestimmung des Gasflusses mathematisch kovariiert werden. An Bord des Forschungsschiffes werden mit diesen Techniken die Gase CO₂ und DMS untersucht. Windgestützte Messungen werden an einem eigenen Mast durchgeführt, welcher am Bug des Schiffes aufgestellt wurde und mit Inlets für CO₂ und DMS ausgerüstet ist (Abb. 2). Die analytischen Instrumente sind durch Schläuche und Kabel mit dem Mast verbunden, so dass die analytische Auswertung in einem Labor unter Deck stattfindet (Abb. 3). Die Trennung der Messorte (Mast und Labor) und die Bewegung des Schiffes stellen uns vor schwierige Herausforderungen. Zusätzlich zu diesen Herausforderungen kommen noch ungünstige Windbedingungen (Windrichtung), gegeben durch die Verfolgung des Tracerpatches. Deshalb ist es vor allem bei den täglichen CTD Stationen von Vorteil, wenn das Schiff mit dem Mast in den Wind gerichtet ist. Für den Rest der Fahrt hoffen wir jedenfalls auf gute Winde.

Um den Transferkoeffizienten k zu bestimmen, müssen wir zusätzlich zu dem Gasfluss den Konzentrationsgradienten des Wasser-Luft Gasaustausches messen. Für die Bestimmung der Konzentration von DMS verwenden wir einen Gaschromatographen gekoppelt mit einem Massenspektrometer, bei dem die Gase aus dem Wasser mit flüssigem Stickstoff eingefangen und anschließend gemessen werden. Der Verlust von flüssigem Stickstoff wurde für uns im Verlauf der Fahrt zu einer Odyssee (wir sind gerade auf dem Weg nach Lettland, um Nachschub zu erhalten). Die Konzentrationen von CO₂ bekommen wir durch die Meerwassermessungen des IOW (Institut für Ostseeforschung Warnemünde) um damit den k-Wert für CO₂ zu bestimmen (Abb. 4).

Innerhalb der nächsten Woche hofft das Team genügend verknüpfbare Daten des Tracers zu sammeln, um die zwei unterschiedlich bestimmten Werte für k vergleichen zu können. Werden sie wohl vergleichbar sein? Haben sie die gleiche Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit? Ähneln die Erkenntnisse von der Ostsee vielleicht denen von großen Ozeanen? Und zu guter Letzt: Wie beeinflusst die flüchtige Deckschicht (microlayer) des Meeres die genannten Faktoren? Wir werden es sehen…

…in diesem Sinne: Waidmannsheil !

Text:
Christa Marandino (GEOMAR), Tim Steffens (GEOMAR), Tobias Spreitz (GEOMAR) und David Ho (Universität von Hawaiʻi auf Mānoa, USA)

Koordination und redaktionelle Feinarbeit:
Bita Sabbaghzadeh (IOW) und Josefine Karnatz (GEOMAR)