Wie Robben wichtige Klimadaten liefern

Da 90% der globalen Erwärmung in die Ozeane gehen, ist es wichtig zu verstehen, was dort passiert. Bestrebungen, die Temperaturen in unterschiedlichen Tiefen zu messen, gehen bis in die 60er Jahre zurück. Was aber hat diese Weddellrobbe damit zu tun und was trägt sie auf ihrem Kopf?

Weddellrobbe auf der westantarktischen Halbinsel (Foto: Dan Costa - NMFS 87-1851-03)

Um diese Fragen beantworten zu können, müssen wir uns die Geschichte dieser, für das Verständnis der Vorgänge in den Meeren, so wichtigen Datensammlung anschauen.

Wie werden die Daten für Grafiken wie dieser zum Wärmegehalt der Ozeane gesammelt?

Grafik 1: Erwärmung an Land, in der Atmosphäre und Eis (rot), Zunahme des Wärmegehalts 0-700 Meter (hellblau), Zunahme des Wärmegehalts 700-2.000 Meter (dunkelblau). Von Nuccitelli et al. (2012)

Die Daten, auf denen die Temperaturen in unterschiedlichen Meerestiefen basieren, werden seit den 60er Jahren von freifallenden (XBT) oder mechanischen (MBT) Meerestemperatursonden (Bathythermographen) gesammelt. Diese Sonden sind abhängig von den Schifffahrtsrouten, da sie von Schiffen auf ihren Fahrten ins Meer gelassen werden. Deshalb gibt es hauptsächlich Messwerte von den häufig genutzten Routen. Daten z. B. von den Polregionen fehlen dagegen, weil es dort (noch!) keine regelmäßig befahrenen Routen gibt.

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts wurde damit begonnen, ein Netzwerk autonomer Argo-Bojen überall auf den Ozeanen auszusetzen. Mittlerweile liefern über 3.600 Bojen ungefähr 100.000 Messdaten pro Jahr.

Grafik 2:  Positionen der Bojen, die in den letzten 30 Tagen Daten geliefert haben (tägliche Aktualisierung) - von der Argo Homepage

Weshalb sind selbst Argo-Daten unvollständig?

Die Argo-Bojen folgen einem Arbeitsablauf, der es notwenig macht, dass sie regelmäßig auftauchen, um ihre Daten an Satelliten in der Umlaufbahn zu übertragen. Aus diesem Grund können die Bojen in regelmäßig von Meereis bedeckten Regionen nicht eingesetzt werden und liefern deshalb nur wenige Daten aus der Arktis und Antarktis. Außerdem sorgen Meeresströmungen rund um die Antarktis dafür, dass die Bojen eher vom Kontinent weg als zu ihm hin driften, sobald sie zu Wasser gelassen worden sind. Daten von diesen entlegenen und unzugänglichen Gebieten zu erhalten, erfordert also neue Lösungsansätze.

Die folgende Grafik zeigt einen typischen Argo-Kreislauf, in dem die autonom arbeitende Boje zunächst auf 1.000m absinkt, wo sie für 8 bis 10 Tagen mit der Strömung treibt. Anschließend sinkt die Boje auf ihre Messtiefe auf 2.000m, um danach innerhalb von 6 Stunden zur Oberfläche aufzusteigen. Während des Aufstiegs speichert sie Daten zur Temperatur und zum Salzgehalt in den verschiedenen Wasserschichten, um diese nach Erreichen der Oberfläche an Satelliten zu senden.

Grafik 3:  Schematische Darstellung eines typischen Argo-Kreislaufs (jg)

Jetzt kommen die Meeressäuger ins Spiel!

Vögel werden bereits seit Ende des 19. Jahrhunderts beringt, um etwas über ihre Wanderungen zu erfahren. Seit die Technik es ermöglicht, kommen Peil- und GPS-Sender zum Einsatz, wodurch auch Informationen über die tatsächlich genutzten Routen gesammelt werden können. Dadurch stehen sehr viel mehr Daten zur Verfügung, als wenn man nur weiß, wo ein Vogel ursprünglich beringt und später erneut gefangen oder tot aufgefunden wurde. Außer Vögeln werden auch Säugetiere besendert, um ihre Wanderungen und Aufenthaltsorte zu erforschen.

Tieren über Land zu folgen, ist schon schwierig genug. Dies aber mit Tieren zu versuchen, die ihren Lebensraum im Meer haben, macht es noch komplizierter, weil die beobachteten Individuen einen Großteil ihrer Zeit irgendwo im Meer und damit außerhalb unserer Reichweite aufhalten. Hier spielen Professor Dan Costa von der University of California Santa Cruz (UCSC) und sein Forschungsteam eine entscheidende Rolle. Das Team besendert bereits seit mehreren Jahrzehnten Meeressäuger, um mehr über deren Verhalten und die bevorzugten Nahrungsgründe herauszufinden.

Besenderung eines südlichen See-Elefanten  (Foto: Dan Costa - NMFS 87-1851-03)

Die Robben kommen regelmäßig zweimal im Jahr zur ihren Stränden: im Winter, um ihre Jungen auf die Welt zu bekommen und sich erneut zu paaren und mehrere Monate später für den Fellwechsel. Während sich die Robben am Strand aufhalten, können die Forscher Sender anbringen oder einsammeln. Als mit der Besenderung von Meeressäugern begonnen wurde, speicherten die Sender die Daten nur ab, während die Tiere auf Nahrungssuche im Meer unterwegs waren. Die Forscher mussten ihre Rückkehr an die Küste abwarten, um die Sender wieder einzusammeln (die Sender fallen beim Fellwechsel ab). Die Daten konnten dann heruntergeladen und verarbeitet werden.

Mit verbesserter Technik wurde es möglich, die Daten zu Satelliten zu übertragen noch während die Tiere unterwegs sind. Hierdurch bekommen sowohl die Forscher als auch weitere interessierte Personen Daten fast in Echtzeit zur Verfügung gestellt. Es ist aktuell zum Beispiel möglich, einigen der besenderten nördlichen See-Elefanten über das Ano Nuevo Blog, das von Dan Costas Team betreut wird, zu folgen.

Grafik 4: Zeitachse des Bio-Loggings von Meeressäugern (jg) - Anmerkung: die beim Jahr 2005 genannten SMRU CTD Sender zeichnen Werte zur Leitfähigkeit, der Temperatur und Tiefe (Conductivity/Temperature/Depth) auf und  wurden für die Sea Mammal Research Unit der Universität von St. Andrews entwickelt.

Die Aufzeichnungsgeräte werden zwar immer ausgereifter und leistungsfähiger, jedoch hat sich an der Methode, sie anzubringen, über die Jahre hinweg nur wenig geändert. Die Forscher gehen zu den Kolonien, wenn sich die Tiere dort sammeln; geeignete Individuen werden leicht betäubt und die Datenlogger auf ihren Köpfen festgeklebt. Weder diese Prozedur zur Besenderung noch das Tragen der Logger für mehrere Monate scheint  negative Auswirkungen auf die Robben zu haben.

Die Studien sind wichtig, um Gebiete zu identifizieren, die vor menschlichen Eingriffen geschützt werden müssen, um zum Beispiel die wichtigsten Nahrungsgründe der Robben langfristig zu erhalten. Vor der Radiotelemetrie standen den Forschern nur sehr wenige Daten aus Beobachtungen von Booten oder Flugzeugen aus zur Verfügung. Dies führte zu unvollständigen Annahmen über die Gegenden, wo sich die Robben während ihrer Zeit im Meer und fernab ihrer Kolonien aufhielten. Dies ist in der linken Grafik unten (a) zu sehen (aus Costa 2012). Rechts (b) dagegen ergibt sich dank der von den Datenloggern gesammelten Informationen ein wesentlich vollständigeres Bild:

Grafik 5: Verbreitung der Robben aus „New Insights into Pelagic Migrations: Implications for Ecology and Conservation”, Costa et al 2012

Die Robben liefern nicht nur Daten zu ihrem Standort an der Meeresoberfläche, sonden auch über ihre Tauchtiefe, der Wassertemperatur und dem Salzgehalt. Grafik 6 zeigt Beispiele der gesammelten Profile von besenderten See-Elefanten, die auf der westantarktischen Halbinsel besendert wurden:

Grafik 6: Aufgezeichnete Spuren von drei südlichen See-Elefanten entlang der westantarktischen Halbinsel.  Zu sehen sind (a) nur Spuren an der Meeresoberfläche, (b) Spuren an der Oberfläche zusammen mit Tauchgängen und (c) Temperatur- und Salzgehaltsprofile, die gesammelt werden, um Informationen über die physikalische Umwelt der Tiere zu erhalten während sie diese durchstreifen. (Costa et al 2012)

Gegen Ende des 20. Jahrhunderts kam es wahrscheinlich zu einer Art "Heureka-Moment" als die Forscher eins und eins zusammenzählten und erkannten, dass die von den Robben gesammelten Daten, auch für Klimaforscher von Interesse sein könnten, um die von den Argo-Bojen und XBT-Messungen stammenden Informationen zu ergänzen. Die Robben haben natürlich keine Probleme mit Tauchgängen unterhalb des Meereises und sie treiben auch nicht mit den Meereströmungen weg von der Antarktis. Wie aus der folgenden Grafik ersichtlich ist, liefern  die Robben wesentlich mehr Datenpunkte vom Rande der Antarktis (links) als die anderen zur Verfügung stehenden Messmethoden (rechts):

Grafik 7: Durch die besenderten Tiere verbesserte Einschätzung der generellen Zirkulation im südlichen Ozean (aus Roquet, F., et al. (2013))

Ein Fallbeispiel: Weshalb konnte das Wilkins-Eisschelf 2008 so schnell auseinanderbrechen?

Im Frühjahr 2008 gab es viele Berichte über das schnelle Auseinderbrechen des Wilkins Eisschelfs innerhalb weniger Wochen. Noch heute hat die NASA einen Bericht über dieses Ereignis auf ihrer Webseite. Als Wissenschaftler versuchten, den Grund für dieses schnelle Auseinanderbrechen zu verstehen, gelang ihnen das zunächst nicht, weil dafür mehr Wärme notwendig gewesen wäre, als sie erklären konnten. Andere Faktoren, wie die Massenbilanz des Eisfelds, standen zur Verfügung and waren bereits in die Berechnungen eingeflossen.

Das Auseinanderbrechen des Wilkins Eisschelfs zwischen Februar und Mai 2008 (NSIDC)

Hier konnten besenderte Robben das fehlende Puzzleteilchen beisteuern. Dan Costa von der Universität Kalifornien Santa Cruz und seine Kollegen vom US Antarctic Marine Living Resources (AMLR) Programm hatten südliche See-Elefanten bei der AMLR Sommerfeldstation auf den südlichen Shetlandinseln mit Sendern ausgerüstet. Die Sender übermitteln die Positionen der Tiere, ihr Verhalten sowie Daten zur Wassertemperatur und dem Salzgehalt mittels ARGOS-Satelliten. In der Zeit, als die besenderten Robben unterwegs waren, brach das Wilkins-Eisschelf binnen drei Monaten zusammmen.

Grafik 8 -links: Das Wilkins-Eisschelf vor seinem Zusammenbruch im Verhältnis zur antarktischen Halbinsel - rechts: Spuren der Robben relativ zum Wilkins-Eisschelf. Anzumerken ist, dass die Spuren ihren Ursprung im nördlichen Teil der Halbinsel haben. Dies ist, wo die Tiere auf der Livingston Insel besendert wurden. (Dan Costa)

Dan Costa stellte die Profile über die Tauchtiefe und Temperatur Laurie Padman vom Institut Earth & Space Research in Corvallis, Oregon zur Verfügung, dem auffiel, dass die Tiere an einigen Stellen tiefer tauchten, als dies nach der bisher bekannten Topografie des Meeresbodens (Bathymetrie) möglich gewesen wäre. Dies war nicht allzu überraschend, da über die Topografie des Meeresbodens in diesem Gebiet nur wenig bekannt war. Überall, wo die Robben tiefer als der bisher bekannte Meeresboden tauchten, wussten die Forscher jetzt, dass es tatsächlich tiefer war. Die farblich markierten Bereiche im linken Teil der folgenden Grafik zeigen die auf Grund der Robbendaten korrigierte Topografie. Dadurch wurde eine Reihe von bisher unbekannten Gräben und Schluchten (rote Pfeile) im Kontinentalschelf entdeckt.

Grafik 9: Durch Robben verbesserte Bathymetrie- (links) und Temperaturdaten (rechts) – (aus Padman et al (2010))

Diese Vertiefungen lassen wärmeres ozeanisches Tiefenwasser auf den Kontinentalsockel und letztendlich bis unter das Wilkins Eisschelf fließen, wodurch dort zusätzliche Wärme ankommt. Thermodynamische Berechnungen hatten gezeigt, dass die Wärme aus der Atmosphäre alleine nicht ausreichte, das Auseinanderbrechen des Eisschelfs zu erklären. Rechnet man aber das ozeanische Tiefenwasser mit ein, ist ausreichend Wärme vorhanden, um das Auseindanderbrechen möglich zu machen. Mittlerweile wird anerkannt, dass dies ein sehr wichtiger Teil des Wärmebudgets von Schelfeis und dessen Stabilität ist. Die von den Robben gelieferten Daten über diese Vorgänge sind im rechten Teil der Grafik oben zu sehen. Klar erkennbar ist das wärmere ozeanische Wasser (auch zirkumpolares Tiefenwasser genannt). Man sieht durch die roten Flächen und Pfeile auch, wie dieses wärmere Wasser über den Kontinentalsockel und unter das Schelfeis fließt. Umgekehrt, kann man an den blauen Pfeilen auch erkennen, wie das abgekühlte Wasser unter dem Schelfeis abfließt.

Zum Abschluss folgt noch eine grafische Zusammenfassung dieser Entdeckung. Die abgebildete Weddellrobbe sieht schon recht zufrieden mit ihrer Leistung und der ihrer "Freunde" aus!

Grafik 10: Vereinfachte Darstellung der durch die Robben gemachten Entdeckung - (Foto: Dan Costa NMFS 87-1851-03 / Grafik: jg)

Vielen Dank an Dan Costa und sein Team für die für diesen Artikel zur Verfügung gestellten Informationen! Ebenfalls bedanken möchte ich mich bei Prof. Dr. Martin Wikelski vom Max-Planck-Institut für Ornithologie, der mit seinem Vortrag bei den diesjährigen Naturschutztagen in Radolfzell den Anstoß zu diesem Artikel gab.

Zusatzinformation:

Um eine Vorstellung davon zu bekommen, wo und welche Tiere bereits per Satellit verfolgt werden - einschießlich einiger der von Dan Costa besenderten Robben - lohnt sich ein Blick in die noch im Aufbau befindliche Movebank. Sie ist ein erster Schritt in Richtung ICARUS (International cooperation for animal research using space) Initiative. Sobald ICARUS Ende 2016 voll funktionsfähig ist, werden Tausende besenderter Tiere Daten von überall auf der Welt zu an der I.S.S. noch zu installierenden Antennen schicken. Die Daten werden nicht nur Auskunft über die Aufenthaltsorte der einzelnen Tiere, sondern unter anderem auch Informationen zu Wetter und Klima liefern.

Großräumig und langfristig angelegte Studien wie die mit den nördlichen See-Elefanten bei Ano Nuevo sind nur dank des UC Natural Reserve Systems möglich. Dieses von der Universität Kalifornien geförderte Netzwerk, schützt Naturräume und unterstützt und ermöglicht wissenschafltiche Forschungen.

Translation by BaerbelW. View original English version.