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Karpfen unter dem Eis

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 10.02.2015 12:00

Der arktische Ozean unterhalb der Meereisdecke war bislang ein für Menschen weitgehend unzugängliches Terrain. Mit einem neuen Hybrid-U-Boot aus den USA können Meeresforscher jetzt unter intakten Eisdecken entlangfahren und diese erkunden. Die Tauchfahrten wurden von Bord des deutschen Forschungseisbrechers "Polarstern" gesteuert. Ihre Ergebnisse und der Roboter selbst standen auf der Herbsttagung der Amerikanischen Geophysikalischen Union AGU in San Francisco im Mittelpunkt.

Blick mit der Kamera von "Nereid UI" auf Algenblüten unter dem Eis. (Bild: WHOI)"Wir konnten zum ersten Mal sehen, wie sich eine Nahrungskette unter dem Eis entwickelt, von Eisalgen über Ruderfußkrebse, Rippenquallen und Appendikularien bis hin zu den berühmten Pfeilwürmern." Die Biologin Antje Boetius vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung ist auch ein knappes halbes Jahr nach ihrer Forschungsfahrt zum Gakkelridge im arktischen Ozean immer noch hingerissen. Mit dem Forschungseisbrecher "Polarstern" waren Boetius und ihre Kollegen im vergangenen Sommer an den Rand der mehrjährigen Eiskappe gefahren, die auch heute noch einen Teil des Arktischen Ozeans rund ums Jahr bedeckt. Mit an Bord das neue drei Millionen Dollar teure US-amerikanische Tauchboot "Nereid UI" (under ice). Es absolvierte von "Polarstern" aus seine ersten wissenschaftlichen Tauchfahrten und machte dabei die faszinierenden Aufnahmen, von denen Boetius auf der Herbsttagung der AGU berichtete. "Wir kamen Anfang Juli bei immer noch recht dickem Eis an, die Schmelze hatte gerade erst begonnen, und zu unserer Überraschung sahen wir da schon die ersten Anzeichen für eine Algenblüte unter dem Eis", so Boetius. Die mikroskopisch kleinen einzelligen Pflanzen konzentrierten sich vor allem in den Schmelzwasserlinsen, die sich unter den Eisschollen bildeten. "Es war eine ziemlich dicke Suspension von lebenden Zellen, die sich in diesen Linsen bildete", so Boetius. Das Wasser von den Meereisschollen ist kälter und weniger salzhaltig als das des Ozeans und mischt sich daher nicht. "Diese Linsen waren anfangs nur einen oder zwei Meter im Durchmesser, aber schon in diesen kleinen Räumen spielten sich die Vorgänge ab", berichtete die Bremer Biologin. 

Normalerweise bekommen die Polarforscher dieses Geschehen nicht mit, denn mit ihrem herkömmlichen Gerät sind sie wie der Elefant im Porzellanladen. Wenn die Forscher mit dem Eisbrecher ins Eis fahren, zerstören sie dabei so kleinteilige Ökosysteme wie die in den Schmelzwasserlinsen unter den Eisschollen. Die ferngesteuerten Tauchroboter können aber nur direkt unterhalb eines Mutterschiffes eingesetzt werden. Die selbststeuernden autonomen Unterwasserroboter dagegen müssen sich aus Sicherheitsgründen von der schrundigen Unterseite der Eisschollen fernhalten. "Unser 'Nereid UI' ist ein Hybrid-Roboter aus beiden Konzepten", erklärt Chris German, Senior Scientist am US-amerikanischen Woods Hole Institut für Ozeanographie. 

Das Hybrid-U-Boot "Nereid UI" begann im August 2014 seinen Testeinsatz im arktischen Ozean. (Bild: WHOI)Der Roboter, der mit seinen knallroten Schwimmkörpern aussieht wie ein kleinwagengroßer japanischer Karpfen, wird vom Schiff aus über ein Glasfaserkabel gesteuert, hat seine Energie allerdings in Form von Batterien selbst an Bord. So kann er in Echtzeit von der Wasseroberfläche aus gesteuert werden, ist aber viel beweglicher als ein herkömmliches ROV. "Das hängt wegen der Energieversorgung an einem dicken und unbeweglichen Kabel", so German, "wir dagegen brauchen theoretisch nur ein hauchfeines Glasfaserkabel, über das wir die Informationen mit dem Roboter austauschen." Etwas dicker ist das Kabel, an dem "Nereid UI" hängt, schon, aber trotzdem flexibel genug, dass der Tauchroboter weit vom Schiff weg unter das Meereis schwimmen kann. Das System wurde erstmals mit dem Tiefsttauchboot "Nereus" ausprobiert, das im Mai 2014 im Kermadec-Graben nordöstlich von Neuseeland verlorenging. Was "Nereus" in einer Tiefe von fast 10.000 Metern letztendlich zum Verhängnis wurde, ist auch weiterhin nicht klar. Doch die Woods-Hole-Forscher um Chris German hoffen, dass bei "Nereid" alles glatt geht. Der ist nur für geringere Tiefen bis zu 2000 Meter ausgelegt und tauchte auf den insgesamt vier Testfahrten in der Arktis nicht mehr als 50 Meter tief. Dafür fuhr er bis zu einen Kilometer weit von "Polarstern" weg unter das Meereis. Mit rund 20 Kilometer war dafür mehr Glasfaserkabel als genug an Bord. "Die ersten zwei Fahrten waren vor allem für die Ingenieure", so German, "die sich vergewissern wollten, dass das Fahrzeug sich auch wie erwartet verhielt." Tatsächlich demonstrierten die Tauchfahrten auch nachdrücklich das Problem, einen Tauchroboter nur an einer dünnen Nabelschnur in raues Terrain zu führen. "Bei drei von vier Tauchfahrten ist uns das Glasfaserkabel gebrochen", erzählt Chris German und lächelt trotzdem ganz entspannt. Denn "Nereid" hat noch eine andere Seite. "Erhält der Roboter eine gewisse Zeit lang keine Informationen mehr vom Mutterschiff, schaltet er seine künstliche Intelligenz ein", erklärt der Wissenschaftler. Dann bricht der Roboter seine Mission ab und taucht in eine sichere Tiefe von etwa 30 Metern. Von dort überträgt er unablässig ein Identifikationssignal in Richtung Wasseroberfläche. Hat das Mutterschiff das Signal geortet, dampft es zu der Stelle, um den Roboter mit akustischen Kommandos sicher an die Oberfläche zu dirigieren. Bei den Tests im arktischen Sommer haben diese Prozeduren einwandfrei funktioniert.

Der deutsche Forschungseisbrecher "Polarstern" im August 2014 im arktischen Ozean. (Bild: Awi/S. Arndt)Doch auch die Wissenschaftler um Antje Boetius und Chris German kamen zu ihrem Recht: Sie konnten zum ersten Mal wie die Fische unter das Meereis tauchen. "Mit dem Roboter hatten wir das Gefühl, als ob wir in einem Aquarium saßen und den Algen, Ruderfußkrebsen, Rippenquallen und so weiter zusehen konnten", schwärmt Antje Boetius. Die Konzentration von Algen an manchen Stellen unter dem Eis hatte bereits der Polarforscher Fritjof Nansen bemerkt, doch eine genaue Untersuchung war bislang unmöglich. Die Tauchfahrten mit "Nereid" zeigten jetzt, dass vor allem Schmelzwassertaschen an der Eisunterseite die Algenbildung fördern, dass es aber offenbar ein komplexes Wechselspiel zwischen Eis, Sonneneinstrahlung und Algen ist. "Die Algen senken die Albedo, die Abstrahlfähigkeit des Eises, weil sie dunkler sind als die Umgebung", beschreibt Boetius den Mechanismus, "mit der Albedo verändert sich das Energiebudget, so dass sich die Algen buchstäblich ihren Lebensraum selbst ins Eis schmelzen." 

Vorbereitungen für den Einsatz des Hybrid-U-Boots &quotNereid UI" im August 2014 an Bord der "Polarstern". (Bild: Awi/S. Arndt)Auch wenn diese Lebensinseln unter dem arktischen Eis jede für sich sehr begrenzt sind, scheint ihr Einfluss auf das Gesamtsystem des Polarozeans beträchtlich zu sein. "Die Klimamodelle haben derzeit Schwierigkeiten, die Entwicklung des Meereises vorherzusagen", berichtete Boetius von einer anderen Veranstaltung auf der AGU-Herbsttagung, "es sieht so aus, dass ihnen einfach diese kleinskaligen, nicht-linearen Prozesse entgehen, die wir mit Nereid beobachten können." Bislang haben die Meeresbiologen nur einige wenige Datenpunkte liefern können, weitere Beobachtungen mit Tauchrobotern wie Nereid in anderen Regionen sollen jetzt klären, wie verbreitet die Algenblüten unter dem Eis wirklich sind. "Eben weil diese Prozesse nicht linear sind, also nicht einfach in die Fläche zu projizieren sind, wollen wir die Untersuchungen an mehreren Stellen wiederholen", so Chris German, "dann können wir sehen, worin sie sich unterscheiden." Als zweites Aufgabengebiet für das Hybrid-Fahrzeug ist die Erkundung der Schelfeisgürtel vorgesehen, die die Gletscher an beiden Polen zum offenen Ozean hin umgeben und auch als eine Art Barriere für die Eisflüsse wirken. "Ihre Stabilität wird kritisch gesehen", erklärt German, "deshalb wollen wir mit dem U-Boot von unten in Richtung der Aufsetzlinie fahren, wo der Gletscher beginnt auf dem Wasser aufzuschwimmen." Da Nereid an beiden Polen eingesetzt werden soll, wartet eine arbeitsreiche Zeit auf die Meeresforscher der Woods Hole Institution. Weitere Fahrten mit ihren deutschen Kollegen vom Alfred-Wegener-Institut sind bereits geplant.

 

Blick unter das arktische Eis mit der Kamera des amerikanischen Hybrid-U-Bootes "Nereid UI". (Bild: WHOI) Der Forschungseisbrecher "Polarstern" brachte im August 2014 das Hybrid-U-Boot "Nereid UI" zum Testeinsatz in die Arktis. (Bild: AWI)
Das Hybrid-U-Boot "Nereid UI" wird im August 2014 zur Testfahrt von Bord der "Polarstern" gehievt. (Bild: WHOI) Chris German und Antje Boetius. (Bild: AWI)