Am 21. September 2017 startet unter Leitung des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG) eine besondere Expedition im deutschen Wattenmeer und in der Elbe. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des HZG und des Alfred-Wegener-Instituts, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) sowie des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) aus Leipzig analysieren die Elbe, um zukünftige Flutszenarien besser vorhersagen zu können. Außerdem untersuchen die Wissenschaftler, wie sich der großräumige Ausbau der Offshore-Windkraftanlagen auf die Nordsee auswirkt. Als Observatorium nutzen sie einen Zeppelin, Drohnen sowie mehrere Forschungsschiffe; gleichzeitig werten sie Daten von Messstationen aus.
Der Klimawandel, Offshore-Windparks, Einträge aus der Landwirtschaft oder Wasserbau beeinflussen das Leben in und um Elbe oder Wattenmeer. Doch Prognosen zum Ausmaß des Umweltwandels bleiben weiterhin unsicher. Dr. Holger Brix, HZG-Küstenforscher erklärt: „An Küsten oder Flussregionen ist die Umwelt so komplex, dass sich meist nur Teilprozesse untersuchen lassen. Indem wir die verschiedenen Messgeräte und Instrumente gleichzeitig einsetzen, wollen wir später die komplizierten Prozesse bei Starkregen im Elbeeinzugsbereich besser verstehen.“ Die Messungen auf der Elbe sind ein weiterer Test der Messverfahren und des schnellen Datenaustauschs zwischen den verschiedenen Plattformen.
Es geht unter anderem darum, wie Nährstoffe über den Niederschlag, die Pflanzen und Böden in die Flüsse und letztendlich in die Nordsee transportiert werden und wie sie dort das Wachstum von Meeresalgen beeinflussen. „Kombinierte Echtzeitdaten von Landoberfläche, Wasser und Atmosphäre geben uns ein viel vollständigeres Bild der Zusammenhänge und sind in dieser Form weltweit einmalig“, erläutert Dr. Holger Brix weiter.
Erste Stationen der Expedition bilden am 21. September 2017 ein Windpark vor Helgoland, die Insel Neuwerk und die Elbmündung. Dort soll mit Zeppelin, HZG-Forschungsschiff Ludwig Prandtl und AWI-Forschungsschiff Uthörn sowie mit festinstallierten Messgeräten untersucht werden, wie der Ausbau der Offshore-Windkraft die Strömungsverhältnisse, den Transport von Nährstoffen und das Algenwachstum in der Nordsee verändern könnte.
Am 22. September 2017 fliegt der Zeppelin von Cuxhaven aus über den Hamburger Hafen, erreicht Geesthacht gegen 11.30 Uhr, fliegt weiter die Elbe hoch über Lauenburg bis nach Cumlosen in Niedersachsen und schließlich von dort zurück über Hamburg zum Flugplatz Uetersen.
Unter anderem nimmt das Forschungsschiff Albis des UFZ zeitgleich Wasserproben im Flussquerschnitt für biogeochemische Messungen zwischen Wittenberge bis zum Wehr Geesthacht. Ein möglicher Treffpunkt für Zeppelin und FS Albis ist zwischen 13.00 und 14.00 Uhr bei Schnackenburg oder Cumlosen.
MOSES (Modular Observation Solutions for Earth Systems) ist ein Projekt der Helmholtz-Gemeinschaft, das Prozesse untersucht, die in komplizierten Wirkungsketten ablaufen und die Ozeane, Küsten, Landoberflächen oder die Atmosphäre miteinander verbinden. HZG ist an zwei Wirkungsketten beteiligt. Zum einen leitet HZG die Wirkungskette „Ozeanwirbel“; für die ein Zeppelin, Flugzeuge, Schnellboote und autonome Tauchroboter eingesetzt und zahlreiche Messverfahren entwickelt werden.
Wissenschaftler des HZG setzten 2016 unter der Leitung von Prof. Dr. Burkard Baschek, Institutsleiter am Institut für Küstenforschung erstmals erfolgreich einen Zeppelin ein, um kleine Ozeanwirbel zu vermessen. Mit den Spezialkameras werden diesmal Wattflächen und Elbe untersucht. Unter anderem erstellt eine an Bord des Zeppelins installierte Infrarotkamera Temperaturkarten der Wasseroberfläche und erfasst dabei 50 Bilder pro Sekunde. Die Thermalkamera misst selbst kleinste Temperaturunterschiede von 0,03 Grad Celsius.
Zweitens beteiligt sich HZG an der Wirkungskette „Hydrologische Extreme“, bei denen die Auswirkungen eines Starkregenereignisses von der Atmosphäre, bis zur Landoberfläche, in die Elbe und bis zur Nordsee verfolgt werden sollen.
Hierzu werden erste Messungen gemeinsam mit AWI und UFZ durchgeführt, um den Vergleich zu normalen Bedingungen ziehen zu können. Der Schwerpunkt liegt bei den zahlreichen biogeochemischen Prozessen, die in der Elbe von Bedeutung sind – insbesondere das Zusammenspiel von Nährstoffen, Sauerstoff und Produktivität ist von Interesse.
Als Messplattformen werden ein Zeppelin, das Forschungsschiff „Ludwig Prandtl“ (HZG), das Forschungsschiff ALBIS (UFZ), und das Forschungsschiff Uthörn (AWI) eingesetzt. Darüber hinaus finden Messungen an den Dauermessstationen des Küstenbeobachtungsystems COSYNA (Coastal Observing System for Northern and Arctic Seas) in Cuxhaven und am Unterwasserknoten in Helgoland statt.
In einer Wassertiefe von etwa elf Metern bietet der Unterwasserknoten eine permanente Strom- und Datenanbindung, um wissenschaftliche Geräte anzuschließen und per Fernzugriff zu betreiben. So werden aktuell unter anderem Strömung, Salzgehalt und Sauerstoff aber auch Fischfauna und Bodentiere im Jahreszyklus kontinuierlich aufgezeichnet und untersucht. Die dadurch gewonnenen Datenreihen sind eine wichtige Grundlage, um Fragen der Umweltveränderungen in der Nordsee zu beantworten. Der Unterwasserknoten wurde von AWI und HZG entwickelt und 2012 in Betrieb genommen.
Das UFZ-Forschungsschiff ALBIS untersucht die räumliche und zeitliche Variabilität des Stoffeintrags aus der Mittleren Elbe in den Tidebereich bei Niedrigwasser. Dazu nehmen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Wasserproben im Flussquerschnitt zwischen Magdeburg und dem Wehr Geesthacht, bereiten sie unmittelbar vor Ort im Bordlabor auf und untersuchen sie unter anderem auf Nährstoffe, organische Summenparameter und Spurenelemente.
Optische Messungen des Wassers und der Wattoberflächen können mittlerweile von Satelliten – und vor allem von einem Zeppelin mit sehr hoher Auflösung erfasst werden. Um eine korrekte Interpretation der Daten zu gewährleisten, sind Vergleichsmessungen am Boden und im Wasser erforderlich. Diese werden im Mündungsbereich der Elbe und auf den Wattflächen vor Otterndorf vom HZG durchgeführt.
Vermessungen der Wattbereiche: Vom Zeppelin aus lassen sich die Lage und der Zustand von Prielen, Muschel- und Schillbänken, Seegrasbeständen und Strandbereichen ebenso erfassen wie die morphologischen Veränderungen im Watt und die Vegetationsentwicklung auf den Inseln. Die Daten hierzu werden außerdem auf Neuwerk, Scharhörn und Nigehörn vom Nationalpark Wattenmeer in Hamburg analysiert.
Strömungsmessungen. Neueste Entwicklungen der Drohnentechnologie lassen sich in Kombination von Radarmessverfahren nutzen, um hochauflösende Strömungsmessungen aus der Luft durchzuführen. Diese werden vom HZG bei Lauenburg von Zeppelin, Drohne und dem kleinen Forschungsschiff „Zwergseeschwalbe“ (HZG) durchgeführt.
Die Expedition wird durch ein neues Projekt der Helmholtz-Gemeinschaft möglich. Der Name der auf fünf Jahre ausgelegten Initiative lautet MOSES, kurz für „Modular Observation Solutions for Earth Systems“. Insgesamt 28 Millionen Euro stehen den beteiligten Forschungszentren für den Aufbau und Betrieb von MOSES zur Verfügung. An dieser ersten Expedition im Rahmen von MOSES sind mehr als 20 Forscher beteiligt. Mit dem neuartigen, mobilen und modularen Konzept von MOSES sollen erstmals dynamische und langfristige Beobachtungsmethoden direkt miteinander gekoppelt werden und bei Flutereignissen kurzfristig genutzt werden.