Highlight Topic: Unlocking the Secret of Waves

Text: Tim Schröder, Science Journalist

Wave dynamics are yet to be truly understood because their movement is so rapid and complex. Physicist Marc Buckley from the Helmholtz-Zentrum Geesthacht now utilises a watertight laser system to, in a sense, freeze the movement of waves to discover how wind energy is transformed into wave motion. From the results, he hopes to gain important insights into how hurricanes are formed and uncover information that can be used to optimise mathematical climate models.

Dynamic energy conversion through wind and waves (Photo: Ralf Weiße)

Wherever there’s water, there are waves. All over the world, in all seas, at all times. The oceans cover approximately seventy percent of the planet – and therefore seventy percent of the Earth’s surface is shaped by waves. Although the wave phenomenon is so commonplace, it is still yet to be understood after more than a hundred years of marine research. It is clear that wind provides the energy to shape water into waves. However, precisely how the movement of the wind transforms to wave energy, when a wave arises and how it grows is not yet really clear. Why, for example, doesn’t a hurricane lose its energy during its journey across the ocean, though it creates breakers ten metres tall or higher—that is, does a great deal of energy flow into the formation of the waves?

A Fast Laser Captures Waves

Marc Buckley with the laser equipment (Photo: Ina Frings / HZG)

In order to answer questions like these, HZG physicist Dr Marc Buckley dives more deeply into the topic than many colleagues in the past. He developed laser equipment with which he can film, in a way, how the wind energy is passed to the wave. This special device works so quickly that it can even detect and measure rapid waves that rush by at a speed of several metres per second. “It has so far simply not been technically possible to observe such rapid movements in their entirety,” says Buckley. “We could actually measure the wave velocity but not the energy fluxes.”

Buckley developed the first prototype of his device, called AirSeaPix, on a wave channel at the University of Delaware in the United States. The principle is that the very fast digital cameras can capture the movement and change of the passing waves, which are illuminated by lasers. In addition, an apparatus consisting of water pumps, hoses and mist nozzles produces fine mist droplets of a precisely defined size that float perfectly in the air and are carried away with the wind. The mist droplets flying by are also illuminated by the laser’s light and captured by the cameras. This also makes the air turbulence visible above the wave.

Buckley’s photographs clearly show for the first time where turbulence forms over a wave and how this turbulence forms the wave itself. This type of approach is unique to date. “From this method, we can read where and how the energy is transferred and how the air flow’s momentum impulse continues in the wave,” says Buckley.

A Method Borrowed from the Industrial Sector

The cameras capture the particles that have been made visible (Photo: Ina Frings / HZG)

Marc Buckley moved some time ago to the HZG’s Institute of Coastal Research to further develop the laboratory system into a device that is robust enough to be used in the sea. He was able to carry out experiments in the Pacific when he was invited on an American research vessel. The results show that the technology works.

In principle, the technology is based on an industry-established optical method, particle image velocimetry (PIV). In this method, small particles are added to a liquid to facilitate observation of how the liquid flows by observing the particle movement– thus, for example, the flow properties of aircraft wings or car models can be tested.

“The substantial difference to our application is that those objects aren’t moving – with us, however, the entire system consisting of wind and waves is moving very quickly, a considerable challenge for the camera and image processing technology,” says Buckley. But it works.

Practice Test in the Baltic Sea

Measuring pile and equipment are first tested on the HZG premises (Photo: Ina Frings / HZG)

Buckley is currently setting up his AirSeaPix on an eleven-metre-tall measurement pile, which will be installed in the Baltic Sea this year. The equipment is to continuously record waves and the flow of the mist droplets there. Fortunately, there aren’t any hurricanes in the Baltic Sea, but Buckley hopes the results will bring many new insights. “By measuring the energy fluxes between air and water, we can better understand the principles of wave formation. We can then hopefully extrapolate the results to phenomena like hurricanes.”

It is, however, not just about hurricanes, but is also about basic phenomena that are of great interest during times of climate change. Climate depends to a great extent on how energy is exchanged on a large scale between atmospheric layers, between the atmosphere and the land, and between the atmosphere and the sea. The sun warms up the land masses and sea to very different degrees, whereby air masses arise with different air pressures. The different air pressures in turn lead to air fluxes and wind, and these in turn generate waves on the sea.

“Because the oceans cover such a large surface, wave dynamics are particularly important in understanding the energy fluxes at the boundary to the atmosphere,” says Buckley. “Only when these energy fluxes are correctly described can mathematical climate models accurately take them into consideration.” So far, the „wave“ phenomenon has been integrated into the models in a mathematical manner that is heavily abstracted. In the future, Buckley wants to provide more realistic values for a wave model, which should help to further improve the climate calculations.

There is another aspect that AirSeaPix will possibly be able to better estimate in the future: absorption of oxygen, and especially the greenhouse gas carbon dioxide from the atmosphere into the sea. Because Buckley’s equipment also makes fine sea spray visible, it is easy to see how heavily air is mixed into the sea. “Carbon dioxide winds up in seawater when it is enveloped by waves and spray – our camera technology can detect that very well.

Marc Buckley on the measuring pile (Photo: Ina Frings / HZG)

First, however, the measuring pile needs to be erected in the Baltic Sea. It will jut out approximately four metres from the water, equipped with batteries, lasers, cameras and fog machine. Even before the pile is set up, Buckley already has the next stage planned for his AirSeaPix. “In the future, the cameras should also film the turbulences under water so that we can understand the dynamics of the waves and the energy fluxes even better.”


Dr. Marc Buckley
Department Radar Hydrography

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Highlight Thema: Das Geheimnis der Wellen enträtseln

Text: Tim Schröder, Wissenschaftsjournalist

Die Dynamik von Wellen ist bis heute nicht wirklich verstanden – weil ihre Bewegung so schnell und komplex ist. Mit einer wasserfesten Laseranlage friert der Physiker Marc Buckley des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG) jetzt die Bewegung von Wellen gewissermaßen ein, um herauszufinden, wie Windenergie in Wellenbewegung umgewandelt wird. Davon verspricht er sich wichtige Erkenntnisse zur Entstehung von Hurrikans und Informationen, mit denen sich mathematische Klimamodelle optimieren lassen.

Dynamische Energieumwandlung durch Wind und Wellen (Foto: Ralf Weiße)

Wo Wasser ist, da sind auch Wellen. Rund um die Erde auf, allen Meeren, zu jeder Zeit. Die Ozeane bedecken etwa 70 Prozent des Globus – und damit sind 70 Prozent der Erdoberfläche von Wellen geprägt. Doch obwohl das Phänomen Welle so alltäglich ist, hat man es auch nach mehr als 100 Jahren Meeresforschung noch nicht wirklich verstanden. Klar ist, dass der Wind die Energie liefert, die das Wasser zu Wogen aufbaut. Doch wie die Bewegung des Windes im Detail in Wellenergie umgewandelt wird, wann eine Welle entsteht und wie sie wächst, das ist bislang nicht wirklich klar. Warum zum Beispiel verliert ein Hurrikan bei seiner Reise über das Meer nicht an Energie, obwohl er Brecher von zehn und mehr Meter Höhe auftürmt – also viel Energie in die Entstehung der Wellen fließt?

Schneller Laser erfasst Wellen

Marc Buckley an der Laserapparatur (Foto: Ina Frings / HZG)

Um Fragen wie diese zu beantworten, taucht der HZG-Physiker Dr. Marc Buckley tiefer in das Thema Welle ein, als viele Kollegen zuvor. Er hat eine Laserapparatur entwickelt, mit der er gewissermaßen filmen kann, wie die Energie des Windes in die Welle übergeht. Dieses Spezialgerät arbeitet so flink, dass es selbst schnelle Wellen wahrnehmen und vermessen kann, die mit einer Geschwindigkeit von mehreren Metern pro Sekunde vorbeirauschen. „Bislang war es technisch einfach nicht möglich, so schnelle Bewegungen in Gänze zu beobachten“, sagt Buckley. „Man konnte zwar die Geschwindigkeit der Wellen messen, nicht aber die Energieflüsse.“

Den ersten Prototyp seiner Apparatur mit dem Namen AirSeaPix hat Marc Buckley an einem Wellenkanal an der University of Delaware in den USA entwickelt. Das Prinzip besteht darin, dass sehr schnelle digitale Kameras die Bewegung und Veränderung vorbeigleitender Wellen erfassen, die von Lasern erleuchtet werden. Zusätzlich werden mit einer Apparatur aus Wasserpumpen, Schläuchen und Nebeldüsen feine Nebeltröpfchen exakt definierter Größe produziert, die perfekt in der Luft schweben und mit dem Wind fortgetragen werden. Auch diese vorüberfliegenden Nebeltröpfchen werden mit Laserlicht erleuchtet und von den Kameras erfasst. Damit werden auch die Verwirbelungen der Luft über der Welle sichtbar.

Buckleys Aufnahmen zeigen erstmals deutlich, wo sich über einer Welle Turbulenzen bilden und wie diese Turbulenzen die Wellen formen; ein in dieser Form bislang einmaliger Ansatz. „Wir können daraus ablesen, wo und wie Energie übertragen wird, wie sich der Bewegungsimpuls der Luftströmung in der Welle fortsetzt“, sagt Marc Buckley.

Ein aus der Industrie entlehntes Verfahren

Die Kameras erfassen sichtbar gemachte Partikel (Foto: Ina Frings / HZG)

Vor einiger Zeit ist er an das Institut für Küstenforschung des HZG gewechselt, um die Laboranlage zu einem Gerät weiterzuentwickeln, das robust genug ist, um es im Meer einzusetzen. Versuche, die er auf Einladung auf einem US-Forschungsschiff im Pazifik machen konnte, zeigen, dass die Technik funktioniert.

Prinzipiell basiert die Technik auf einem in der Industrie etablierten optischen Verfahren, der Particle Image Velocimetry (PIV), was sich in etwa mit Partikel-Bild-Geschwindigkeitsmessung übersetzen lässt. Bei diesem Verfahren werden einer Flüssigkeit kleine Partikel zugesetzt, um an der Bewegung der Partikel beobachten zu können, wie die Flüssigkeit strömt – damit lassen sich beispielsweise die Strömungseigenschaften von Flugzeugflügeln oder Automodellen testen.

„Der wesentliche Unterschied zu unserer Anwendung besteht darin, dass sich diese Gegenstände nicht bewegen – bei uns aber bewegt sich das ganze System aus Wind und Welle extrem schnell, eine große Herausforderung für die Kamera- und Bildverarbeitungstechnik.“ Doch es funktioniert.

Praxistest in der Ostsee

Messpfahl und Anlage werden zunächst auf dem HZG-Gelände getestet (Foto: Ina Frings / HZG)

Derzeit montiert Marc Buckley sein AirSeaPix an einen elf Meter hohen Messpfahl, der in diesem Jahr in der Ostsee aufgestellt wird. Dort soll die Anlage kontinuierlich Wellen und den Strom der Nebeltröpfchen aufzeichnen. Glücklicherweise gibt es in der Ostsee keine Hurrikans, dennoch werden die Ergebnisse Marc Buckley viele neue Erkenntnisse bringen, hofft er. „Indem wir die Energieflüsse zwischen Luft und Wasser vermessen, können wir die Prinzipien der Wellenentstehung besser verstehen. Die Ergebnisse können wir dann hoffentlich auf Phänomene wie Hurrikans hochrechnen, extrapolieren.“

Doch es geht nicht nur um Hurrikans, sondern auch um grundsätzliche Phänomene, die vor allem in Zeiten des Klimawandels von Interesse sind. Das Klima hängt in besonderem Maße davon ab, wie Energie im großen Maßstab zwischen den Schichten der Atmosphäre, zwischen der Atmosphäre und dem Land sowie zwischen der Atmosphäre und dem Meer ausgetauscht wird. Die Sonne erwärmt Landmassen und Meer unterschiedlich stark, wodurch Luftmassen mit verschiedenen Luftdrücken entstehen. Die unterschiedlichen Luftdrücke wiederum führen zu Luftströmungen und Wind, und diese wiederum erzeugen auf dem Meer Wellen.

„Da die Meere eine so große Fläche bedecken, ist die Wellendynamik besonders wichtig, um die Energieflüsse an der Grenze zur Atmosphäre zu verstehen“, sagt Buckley. „Nur wenn wir diese Energieflüsse korrekt beschreiben, können diese in mathematischen Klimamodellen richtig berücksichtigt werden.“ Bislang fließt das Phänomen „Welle“ mathematisch stark abstrahiert in die Modelle ein. Marc Buckley will künftig realistischere Werte für ein Wellenmodell liefern, das dazu beitragen soll, die Klimarechnungen weiter zu verbessern.

Und noch etwas wird sich mit dem AirSeaPix künftig möglicherweise besser abschätzen lassen: die Aufnahme von Sauerstoff und vor allem dem Klimagas Kohlendioxid aus der Atmosphäre ins Meer. Da Buckleys Apparat auch feine Gischt sichtbar macht, lässt sich gut erkennen wie stark Luft ins Meer eingemischt wird. „Kohlendioxid geht ins Meerwasser über, wenn es so richtig von Wellen und Gischt umhüllt wird – mit unserer Kameratechnik können wir das sehr gut erkennen.“

Marc Buckley auf dem Messpfahl (Foto: Ina Frings / HZG)

Zunächst aber muss der Messpfahl in der Ostsee aufgestellt werden. Etwa vier Meter wird er aus dem Wasser herausragen, bestückt mit Batterien, Lasers, Kameras und Nebelmaschine. Noch bevor der Pfahl steht, hat er bereits die nächste Ausbaustufe seines AirSeaPix auf dem Plan. „Künftig sollen die Kameras auch die Verwirbelungen unter Wasser filmen, damit wir die Dynamik der Wellen und die Energieflüsse noch besser verstehen.“


Dr. Marc Buckley
Abteilung Radarhydrographie
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Highlight Topic: Nitrogen Cycle in Coastal Waters

Text: Tim Schröder, science writer

Nitrogen compounds are an important factor in the production of algal biomass. The team led by biologist Kirstin Dähnke from the Institute of Coastal Research at the Helmholtz-Zentrum Geesthacht has been carrying out extensive Elbe nitrogen measurements for this reason.

These measurements have shown that regions upstream from Hamburg that are heavily influenced by agriculture are responsible for most of the nitrogen input in the Elbe today. This affects the area down to Hamburg Harbour and to the mouth of the Elbe. To reduce the eutrophication in the North Sea in the future, measures must be taken upstream.

Nitrogen input from regions upstream from Hamburg that are heavily influenced by agriculture affect the Hamburg Harbour and the Elbe’s estuary. Photo: A. Eisele / HZG

Nitrogen is an important plant nutrient. Plants need it to build amino acids, which are the building blocks of proteins and therefore the basis for all life. The more nitrogen available to plants, the better they grow. This applies both to plants on land as well as to algae in the sea and fresh water. A problem can arise if excessive amounts of nitrogen compounds are present; this can lead to an excess of algae growth and the formation of algal blooms. When these algae die, they sink below, where they are processed by bacteria. The problem is that the bacteria consume oxygen. If too much algae are present, the bacteria are very active, whereby a great deal of oxygen is consumed. This can lead to an oxygen deficiency in the water. In these areas, higher organisms – such as fish, crabs and mussels – will die.

“To assess the state of rivers or estuaries, it is important to determine how high the nitrogen compound levels are,” says biologist Kirstin Dähnke from the Institute of Coastal Research at the HZG. „In addition, we want to understand where the nitrogen compounds originate.” The biologist carries out analyses in her Helmholtz emerging scientists group at the HZG. Together with her colleagues, she recently studied the Elbe in particular and took samples at several locations along the river, from the weir in Geesthacht to Hamburg Harbour and to the mouth of the North Sea. The samples were then studied in the laboratory for different nitrogen compounds.

Nitrogen in a Constant Cycle

Nitrogen is an interesting chemical element because it is present in nature in different chemical compounds and is converted again and again by bacteria and plants in a cycle, transforming from one form to another.  The atmosphere is approximately seventy-eight percent nitrogen, which is designated by the chemical symbol N2. Nitrogen is therefore very common. Most plants, however, cannot use pure nitrogen. They depend on bacteria to convert atmospheric nitrogen in several steps into ammonium, then to nitrite and finally to nitrate, which can then be used by plants. This conversion from ammonium to nitrate is called nitrification. Nitrate, however, can be broken down by bacteria again to form pure nitrogen. This process is called denitrification.

Hamburg Harbour Becomes a Nitrate Hotspot

Dr. Kirstin Dähnke evaluates Elbe water samples on board the institute’s research vessel „Ludwig Prandtl.“ Photo: T. Sanders / HZG

Today the nitrate content in nature is not only influenced by the natural interplay of bacteria and plants, but mainly by agriculture, which uses large amounts of ammonium fertiliser; this is converted into nitrate in the soil. A considerable portion of the nitrate is discharged into rivers with the rain, leading to strong algae growth. Kirstin Dähnke and her team have now uncovered how these nitrate quantities affect the Elbe. They have determined that nitrate from agriculture upstream is immediately absorbed by algae and converted to biomass. The nitrate content in the water therefore remains moderate.

The nitrate values in Hamburg Harbour, however, rise drastically. Dähnke and her team have discovered why: the water from the Elbe is heavily decelerated in Hamburg Harbour by many canals and port basins. Small crabs and single-celled organisms can increasingly break down the algae in these calm areas. The animals consume a great deal of the algae, digest and then excrete them. “The biomass contained in the excrement particles is then broken down again by bacteria into ammonium.” This means that a lot of ammonium is available in Hamburg Harbour’s water and it is then converted into nitrate by other bacteria via the process of nitrification,“ says Dähnke. Because oxygen is consumed by the reactions from ammonia to nitrite and then to nitrate, the oxygen content in Hamburg Harbour decreases to the same degree. The nitrification on average accounts for a quarter of the consumption of vital oxygen throughout the Elbe.

The water that leaves Hamburg Harbour carries so much nitrate that it can hardly be broken down to pure nitrogen again through denitrification. Relatively large quantities of nitrate therefore find their way into the North Sea where they can also contribute to algal blooms, especially in summer, and in turn cause an oxygen deficiency.

Isotopes Reveal the Origin

In order to show that the large quantities of nitrogen compounds, which ultimately cause the high nitrate values in Hamburg Harbour, actually originate from agriculture, Dähnke and her team must carry out complex water sample analyses. It is the nitrogen isotopes that play the leading role in these studies. Isotopes are those atoms of a chemical element that differ in the number of neutrons and therefore exhibit a different atomic mass. Nitrogen, for example, contains the isotopes 15N and 14N. Because organisms preferentially absorb 14N in biological processes, the 15N gradually accumulates in fertilised fields; it is then washed away with the rain and deposited into the rivers. Algae correspondingly absorb 15N in the areas heavily used for agriculture upstream from Hamburg. Nitrate as well as nitrogen in the algae are thus richer in 15N in Hamburg Harbour. A considerable portion of this 15N-rich nitrate can be detected in the water samples when this biomass is broken down in Hamburg Harbour. ”We can therefore be quite certain that the high nitrate levels in Hamburg Harbour are actually caused by the nitrate input upstream,” says Dähnke.

Scientists from the Institute of Coastal Research on board the research vessel „Ludwig Prandtl“ during a research cruise along the Elbe. Photo: K. Dähnke / HZG

The Origin of Nitrous Oxide

In addition to nitrate, the HZG experts are also concentrating on another nitrogen compound that forms in the nitrogen cycle during the conversion of various nitrogen compounds: nitrous oxide—which, as a potent greenhouse gas, is of particular importance in climate research today.  It has long been known that nitrous oxide is produced in the Elbe River, particularly in Hamburg Harbour. It is astounding that nitrous oxide production has remained invariably high for the last twenty years. One would actually expect the levels to decrease, as the water quality in the Elbe has improved during this time. The reason for this is that nitrous oxide is released mainly during denitrification, the re-conversion of nitrate to atmospheric nitrogen. Nitrous oxide thereby arises during an intermediate chemical step. Denitrification takes place in sediments and water masses that are largely oxygen-free. The less oxygen the water contains, the heavier the denitrification and therefore the nitrous oxide production.

Consistently High Values

Oxygen content in the Elbe, however, has increased again in the last twenty years due to environmental measures such as the construction of sewage treatment plants. This should have actually led to a decrease in nitrous oxide. Kirstin Dähnke and her colleague, Lisa Brase, who has been heavily involved with the topic, assume therefore that nitrous oxide doesn’t increase through denitrification, but is created by another process: in an intermediate chemical step during nitrification – the conversion of ammonium to nitrate, which is intense in Hamburg Harbour. During ammonium to nitrite conversion, an intermediate step during nitrification, nitrous oxide can also from as a by-product.  If a great deal of ammonium is present, a large quantity of nitrous oxide can form as a side effect. “We still need additional measurement results to be sure,” says Dähnke. “But I already assume that this type of nitrous oxide production is the reason that Hamburg Harbour consistently produces a great deal of nitrous oxide despite better water quality. The only solution for this situation would therefore be to further reduce the nitrogen loads upstream.


Deputy Head of Aquatic Nutrient Cycles
Dr. Kirstin Dähnke
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Highlight Thema: Nährstofffracht aus dem Binnenland

Text: Tim Schröder, Wissenschaftsjournalist

Stickstoffverbindungen sind eine wichtige Größe bei der Produktion von Algenbiomasse. Das Team um die Biologin Kirstin Dähnke aus dem Institut für Küstenforschung des Helmholtz-Zentrums Geesthacht hat deshalb für die Elbe intensive Stickstoffmessungen durchgeführt. Dabei zeigt sich, dass heute der meiste Stickstoff in den landwirtschaftlich geprägten Regionen stromaufwärts von Hamburg in die Elbe eingetragen wird. Das wirkt sich bis in den Hamburger Hafen und die Mündung der Elbe aus. Will man künftig die Überdüngung der Nordsee reduzieren, müssen stromaufwärts Maßnahmen ergriffen werden.

Stickstoffeinträge aus den landwirtschaftlich geprägten Regionen stromaufwärts von Hamburg wirken sich bis in den Hambruger Hafen und die Mündung der Elbe aus. Foto: HZG / A. Eisele

Stickstoff ist ein bedeutender Pflanzennährstoff. Pflanzen benötigen ihn, um daraus Aminosäuren aufzubauen, die die Bausteine von Proteinen und damit die Grundlage allen Lebens sind. Je mehr Stickstoff den Pflanzen zur Verfügung steht, desto besser wachsen sie. Das gilt sowohl für Pflanzen an Land als auch die Algen im Meer und im Süßwasser. Problematisch wird es, wenn zu große Mengen an Stickstoffverbindungen zur Verfügung stehen, dann können Algen im Übermaß wachsen und regelrechte Algenblüten bilden. Sterben diese Algenmassen ab, sinken sie in die Tiefe und werden dort von Bakterien verarbeitet. Das Problem: Die Bakterien verbrauchen Sauerstoff. Gibt es zu viele Algen, sind die Bakterien besonders rege, wodurch viel Sauerstoff verbraucht wird. Dadurch kann es im Wasser zu Sauerstoffarmut kommen. In solchen Gebieten sterben dann höhere Organismen wie Fische, Krebse und Muscheln ab.

„Um den Zustand von Flüssen oder Flussmündungen abschätzen zu können, ist es daher wichtig, herauszufinden, wie hoch die Gehalte an Stickstoffverbindungen sind“, sagt die Biologin Kirstin Dähnke vom Institut für Küstenforschung des HZG. „Zudem wollen wir nachvollziehen, woher die Stickstoffverbindungen stammen.“ Derartige Analysen führt die Biologin in ihrer Helmholtz-Nachwuchsgruppe am HZG durch. Zusammen mit ihren Kollegen hat sie in letzter Zeit insbesondere die Elbe untersucht und an vielen Stellen entlang des Flusses, vom Wehr in Geesthacht über den Hamburger Hafen bis zur Mündung in die Nordsee, Proben genommen – und im Labor auf die verschiedenen Stickstoffverbindungen untersucht.

Stickstoff im ständigen Kreislauf

Stickstoff ist ein interessantes chemisches Element, weil es in der Natur in verschiedenen chemischen Verbindungen vorliegt und von Bakterien und Pflanzen in einem Kreislauf immer wieder von der einen in die andere Form umgewandelt wird. Die Atmosphäre besteht zu rund 78 Prozent aus Stickstoff, der das chemische Symbol N2 trägt. Stickstoff ist also ausgesprochen häufig. Allerdings können die meisten Pflanzen den reinen Stickstoff nicht verwerten. Sie sind darauf angewiesen, dass Bakterien den Luftstickstoff in mehreren Schritten in Ammonium, weiter zu Nitrit und schließlich zu Nitrat umbauen, welches die Pflanzen verwerten können. Dieser Umbau von Ammonium zu Nitrat heißt Nitrifikation. In umgekehrter Richtung kann Nitrat von Bakterien wieder zu reinem Stickstoff abgebaut werden. Dieser Prozess wird als Denitrifikation bezeichnet.

Hamburger Hafen wird zum Nitrat-Hotspot

Heute wird der Gehalt von Nitrat in der Natur nicht mehr nur durch das natürliche Wechselspiel von Bakterien und Pflanzen, sondern vor allem auch durch die Landwirtschaft beeinflusst, die

Dr. Kirstin Dähnke bei der Auswertung von Wasserproben aus der Elbe an Bord des institutseigenen Forschungsschiffs „Ludwig Prandtl“. Foto: HZG / T. Sanders

große Mengen von Ammoniumdünger einsetzt, der im Boden zu Nitrat umgewandelt wird. Mit dem Regen wird ein beträchtlicher Teil des Nitrats in die Flüsse ausgewaschen und führt dort zu starkem Algenwachstum. Wie sich diese Nitratmengen auf die Elbe auswirken, haben Kirstin Dähnke und ihre Mitarbeiter jetzt herausgefunden.

Sie stellten fest, dass das Nitrat aus der Landwirtschaft stromaufwärts gleichsam sofort von Algen aufgenommen und in Biomasse umgesetzt wird. Damit bleibt der Nitratgehalt im Wasser moderat. Im Hamburger Hafen aber steigen die Nitratwerte dann sprunghaft an. Das Team um Kirstin Dähnke hat herausgefunden warum: Im Hamburger Hafen wird das Wasser der Elbe durch die vielen Kanäle und Hafenbecken stark abgebremst. In diesen ruhigen Bereichen können dann verstärkt Kleinkrebse und Einzeller die Algen abbauen. Die Tiere fressen einen Großteil der Algen weg, verdauen diese und scheiden entsprechend viele Kotpartikel aus.

„Die in den Kotpartikeln enthaltene Biomasse wird dann wieder von Bakterien zu Ammonium abgebaut. Damit steht im Hamburger Hafenwasser sehr viel Ammonium zur Verfügung, das dann von anderen Bakterien über den Prozess der Nitrifikation wieder in Nitrat gewandelt wird“, sagt Kirstin Dähnke. Da bei den Reaktionen vom Ammonium über das Nitrit bis zum Nitrat Sauerstoff verbraucht wird, sinkt im Hamburger Hafen im gleichen Maße der Sauerstoffgehalt. In der gesamten Elbe trägt die Nitrifikation im Schnitt zu einem Viertel zum Verbrauch des lebenswichtigen Sauerstoffs bei.

Das Wasser, das den Hamburger Hafen verlässt, trägt so viel Nitrat mit sich, dass dieses auf dem Weg bis zur Elbmündung kaum wieder durch die Denitrifikation zu reinem Stickstoff abgebaut werden kann. Damit gelangt relativ viel Nitrat in die Nordsee und kann dort vor allem im Sommer ebenfalls zu Algenblüten beitragen, die wiederum einen Sauerstoffmangel nach sich ziehen.

Isotope verraten die Herkunft

Um nachzuweisen, dass die großen Mengen an Stickstoffverbindungen, die letztlich im Hamburger Hafen die hohen Nitratwerte bewirken, tatsächlich aus der Landwirtschaft stammen, muss Kirstin Dähnke zusammen mit ihrem Team die Wasserproben aufwendig analysieren. Dabei spielen vor allem die Isotope des Stickstoffs eine Rolle. Als Isotope bezeichnet man jene Atome eines chemischen Elements, die sich in der Anzahl ihrer Neutronen unterscheiden und dadurch eine unterschiedliche Atommasse aufweisen. Beim Stickstoff existieren zum Beispiel die Isotope 15N und 14N. Da bei biologischen Prozessen in der Regel 14N bevorzugt von Organismen aufgenommen wird, reichert sich in gedüngten Äckern nach und nach das 15N an, das dann mit dem Regen verstärkt ausgewaschen und in die Flüsse gespült wird.

Entsprechend stark nehmen Algen im Bereich der landwirtschaftlich stark genutzten Regionen stromaufwärts von Hamburg 15N auf. So sind im Hamburger Hafen sowohl das Nitrat als auch der Stickstoff in den Algen reicher an 15N. Beim Abbau dieser Biomasse im Hamburger Hafen lässt sich ein beträchtlicher Teil dieses 15N-reichen Nitrats in den Wasserproben nachweisen. „Damit können wir recht sicher sein, dass die hohen Nitratwerte im Hamburger Hafen tatsächlich durch die Nitrateinträge stromaufwärts bewirkt werden“, sagt Kirstin Dähnke.

Wissenschaftler des Instituts für Küstenforschung an Bord des Forschungsschiffs „Ludwig Prandtl“ auf einer Forschungsfahrt entlang der Elbe. Foto: HZG / K. Dähnke

Der Ursprung des Lachgases

Neben dem Nitrat konzentrieren sich die HZG-Experten noch auf eine weitere Stickstoffverbindung, die im Stickstoffkreislauf bei der Umwandlung der verschiedenen Stickstoffverbindungen entsteht: das Lachgas, welches heute als potentes Treibhausgas vor allem im Fokus der Klimaforschung steht. Seit längerem ist bekannt, dass im Flusslauf der Elbe vor allem im Hamburger Hafen Lachgas entsteht. Erstaunlich ist, dass die Lachgasproduktion seit 20 Jahren unverändert hoch ist.

Eigentlich hätte man erwartet, dass sie abnimmt, weil sich die Wasserqualität der Elbe in diesem Zeitraum verbessert hat. Der Grund: Lachgas wird insbesondere bei der Denitrifikation frei, dem Rückbau von Nitrat zu Luftstickstoff. Lachgas entsteht dabei bei einem chemischen Zwischenschritt. Die Denitrifikation findet in Sedimenten und Wassermassen statt, die weitgehend sauerstofffrei sind. Je weniger Sauerstoff das Wasser enthält, desto stärker sind die Denitrifikation und damit die Lachgas-Produktion.

Gleichbleibend hohe Werte

In den vergangenen 20 Jahren aber hat der Sauerstoffgehalt in der Elbe durch Umweltmaßnahmen, etwa den Bau von Klärwerken, wieder zugenommen. Damit hätte die Lachgasproduktion eigentlich abnehmen müssen. Kirstin Dähnke und ihre Kollegin Lisa Brase, die sich intensiv mit dem Thema befasst hat, gehen deshalb davon aus, dass das Lachgas nicht durch Denitrifikation, sondern auf einem anderen Weg verstärkt produziert wird: Bei einem chemischen Zwischenschritt während der Nitrifikation – der Wandlung von Ammonium zu Nitrat, die im Hamburger Hafen ja verstärkt abläuft. Bei der Umwandlung von Ammonium zu Nitrit, einem Zwischenschritt der Nitrifikation, kann als Abfallprodukt auch Lachgas gebildet werden.

Steht viel Ammonium zur Verfügung, kann auf dem Nebenweg auch viel Lachgas entstehen. „Noch brauchen wir weitere Messergebnisse um sicher zu sein“, sagt Kirstin Dähnke. „Ich gehe aber schon jetzt davon aus, dass diese Art der Lachgasproduktion der Grund dafür ist, dass im Hamburger Hafen trotz besserer Wasserqualität unverändert viel Lachgas entsteht.“ Die einzige Lösung für diese Situation wäre demnach, die Stickstofffrachten stromaufwärts weiter zu reduzieren.



Dr. Kirstin Dähnke
Stellvertretende Abteilungsleiterin Aquatische Nährstoffkreisläufe
Tel: +49 (0)4152 87-1865
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Jessica Klepgen
Pressearbeit Küstenforschung
Tel: +49 (0)4152 87-1565
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Highlight Topic: Time Lapse of the Sea

The North and Baltic Seas are habitats that are always changing over the course of time—such changes are also occurring even today. Currents, temperatures and winds change and with them the living conditions for sea animals and plants. To understand how intense this variability is and how it is triggered, researchers from the Institute of Coastal Research at the Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) have run a sixty-year computer simulation for the first time for the North and Baltic Seas. The results are, in part, astonishing and not least vital in understanding the consequences of climate change.

Changes in the North Sea and Baltic Sea have – for example due to toxic algal blooms – an influence also on humans. Photo: Ina Frings

Habitats change. This is an entirely natural process. Even without human endeavours, the climate, for example, can change. There are ice and warm ages as well as long or short-term climatic fluctuations. Over the north-eastern Atlantic, for example, every ten years, large-scale changes occur in air pressure conditions that also characterise weather in Europe. These changes crucially influence the North Sea and the Baltic Sea habitat. If changes in wind or ocean currents occur, salinity and water temperatures can also change. On this, in turn, depends how much phytoplankton thrives in the water or how well the fish eggs and larvae develop.

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Highlight Thema: Das Meer im Zeitraffer

Text: Tim Schröder, Wissenschaftsjournalist

Die Nord- und Ostsee sind Lebensräume, die sich im Laufe der Zeit immer wieder verändern – auch heute noch. Strömungen, Temperaturen und Winde verändern sich und mit ihnen die Lebensbedingungen für die Meerestiere und Pflanzen. Um zu verstehen, wie stark diese Variabilität ist und wodurch diese ausgelöst wird, haben Forscher des Instituts für Küstenforschung am Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) erstmals eine 60-Jahres-Simulation für die Nord- und Ostsee im Computer laufen lassen. Die Ergebnisse sind zum Teil verblüffend und nicht zuletzt wichtig, um auch die Folgen des Klimawandels zu verstehen.

Veränderungen in Nord- und Ostsee haben nicht zuletzt durch giftige Algenblüten auch einen Einfluss auf den Menschen. Foto: Ina Frings

Lebensräume wandeln sich. Das ist ein ganz natürlicher Vorgang. Denn auch ohne das Zutun des Menschen kann sich zum Beispiel das Klima verändern. Es gibt Eis- und Warmzeiten und lang- oder kurzfristige Klimaschwankungen. Über dem Nordostatlantik zum Beispiel kommt es etwa alle zehn Jahre zu großräumigen Veränderungen der Luftdruckverhältnisse, die auch das Wetter in Europa prägen. Diese Veränderungen haben einen entscheidenden Einfluss auf den Lebensraum der Nordsee und der Ostsee. Verändern sich Wind- oder Meeresströmungen, dann können sich auch Salzgehalte oder Wassertemperaturen ändern. Und davon wiederum hängt ab, wie viel pflanzliches Plankton im Wasser gedeiht oder wie gut sich die Eier und Larven von Fischen entwickeln.

Datenmengen aus 60 Jahren

Um zu verstehen, wie und warum sich die Meereslebensräume verändern, reicht es nicht, mit dem Schiff hinauszufahren und Wasserproben zu nehmen oder Daten einzelner Wetterstationen zu sammeln. Eine solche Datenbasis ist zu lückenhaft, um die großräumigen Veränderungen der ganzen Nord- und Ostsee überblicken zu können. Wissenschaftlerinnen des Instituts für Küstenforschung am HZG haben deshalb mithilfe komplexer mathematischer Modelle erstmals die Veränderungen in der Nord- und Ostsee über einen langen Zeitraum von 60 Jahren im Computer simuliert – von 1948 bis zum Jahr 2008. Das Besondere: Die Forscherinnen haben für ihre Analyse verschiedene Simulationsmodelle miteinander verknüpft: Erstens ein mathematisches Modell, das die physikalischen Umweltparameter simuliert, die Wassertemperaturen, die Meeresströmung oder die Salzgehalte im Meer; zweitens ein Ökosystem-Modell, das die biologischen und chemischen Vorgänge mathematisch beschreibt.

Dazu gehören die Kreisläufe von Nährstoffen, die das Wachstum des pflanzlichen Planktons befördern, ferner das Zooplankton, das sich von den Pflanzen ernährt und zum Schluss die Fische, die das Zooplankton oder einander fressen. Das Modell berechnet für den gesamten Zeitraum von 60 Jahren alle 20 Minuten sowohl die aktuellen physikalischen Werte, also die Veränderungen der Wassertemperatur oder die Bewegung der Wassermassen, als auch die Reaktion der Biologie, der Lebewesen darauf. Dabei ergibt sich eine ungeheure Datenmenge. Etwa 36 Stunden dauert es, bis die 60 Jahre im Zeitraffer simuliert sind.

Simulierte mittlere (60 Jahre) Phytoplanktonproduktion in Nordsee und Ostsee aus dem gekoppelten Ökosystemmodell ECOSMO. Geringere Produktion entsteht in den saisonal geschichteten, zentralen Meeresbereichen. Hohe Produktion in den zum Teil durchmischten und von Flusseinträgen beeinflussten Küstenbereichen.

Physik und Biologie gemeinsam betrachten

Eine solche Kopplung von Biologie und Physik in einer Simulation und eine gemeinsame Analyse für Nord- und Ostsee über einen so langen Zeitraum sind in dieser Kombination bisher einzigartig. „Oftmals werden Nord- und Ostsee bei Simulationen getrennt voneinander betrachtet“, sagt die Ozeanografin Ute Daewel, die die Simulation gemeinsam mit der Ozeanografin Corinna Schrum am HZG durchgeführt hat. „Und dass, obwohl der Austausch von Wassermassen zwischen beiden Meeren sehr wichtig ist. Die Situation vor Südnorwegen zum Beispiel lässt sich nur dann korrekt simulieren, wenn man Nord- und Ostsee gemeinsam betrachtet.“ So kommt es, wenn die Wetterlage günstig ist, alle paar Jahre zu einem starken Einstrom von Salzwasser aus der Nordsee in die Ostsee. Damit gelangt lebenswichtiger Sauerstoff in die tiefen Wasserschichten der Ostsee. Aus der Ostsee wiederum strömt Wasser an der Meeresoberfläche in die Nordsee, was dort den Lebensraum beeinflusst.

Die Kunst, Datenmassen zu lesen

Letztlich liefert die Simulation den Forscherinnen zunächst eine gigantische Menge an Daten, wobei die 20-Minuten-Werte für jeden Tag der Vergangenheit gemittelt werden. Das sind für alle Tage insgesamt mehr als 20.000 Datensätze, die wiederum etliche Werte für physikalische und biologische Parameter enthalten. „Mit einer solchen Datenmenge kann man zunächst wenig anfangen, die Kunst besteht darin, die Werte zusammenzufassen“, sagt Ute Daewel, zum Beispiel Datenreihen für bestimmte Meeresgebiete oder Zeiträume näher zu betrachten. Doch welche Gebiete oder Zeiträume sind interessant? Welche lassen Aussagen über Veränderungen zu? Um das herauszufinden, hat Ute Daewel die Ergebnisse ihrer Simulation einer statistischen Analyse, einer sogenannten empirischen orthogonalen Funktionsanalyse (EOF), unterzogen. Diese Analyse erkennt in Daten bestimmte auffällige Veränderungen, die sogenannte Variabilität.

Für die Ostsee ergab die EOF-Analyse der Oberflächenströmungen als auffälligste wesentliche Veränderung, dass nach 1988 die Strömungskomponente aus nordwestlichen Richtungen stark zugenommen hat. Das hat dazu geführt, dass das Wasser an der Meeresoberfläche verstärkt vom schwedischen Festland auf die Ostsee hinausgeschoben wird. Dadurch kommt eine Art Auftriebsprozess (Upwelling) in Gang. Dieser führt dazu, dass an der Küste Wasser aus der Tiefe aufsteigt und in die oberen Wasserschichten gelangt. Dieses Tiefenwasser enthält Nährstoffe wie zum Beispiel Phosphate, die das pflanzliche Plankton nahe der Wasseroberfläche zum Wachstum anregen.

Erklärung für giftige Algenblüten

Davon profitieren unter anderem die Cyanobakterien, die früher als Blaualgen bezeichnet wurden. Diese können in Phasen des Upwellings starke Algenblüten bilden. Das kann dann problematisch sein, wenn sich Cyanobakterien vermehren, die giftige Substanzen produzieren. Es können sich Blüten bilden, in denen das Baden verboten ist, zudem können Fische oder Muscheln die Giftstoffe anreichern oder sogar daran zugrunde gehen. Allgemein, sagt Daewel, habe das Wachstum des Phytoplanktons in der Ostsee zugenommen – und damit auch die Fischbiomasse. Das liege zum einen daran, dass von Land viele Nährstoffe zum Beispiel aus Abwässern oder von Äckern in die Ostsee gelangten.

Algenblüte in der Nordsee. Foto: Sabine Billerbeck

Wie die aktuelle Simulation zeigt, spielt vor allem über die Jahre zunehmend auch die Veränderung des Windregimes über der Ostsee eine entscheidende Rolle, welches den Upwelling-Prozess an der schwedischen Küste steuert. Diese Erkenntnis ist neu und überraschend.

Komplexe Situation in der Nordsee

Für die Nordsee, die wegen der starken Gezeiten und der Strömungsverhältnisse räumlich komplexer ist als die Ostsee, sind auch die Ergebnisse der Simulationen komplexer. So gibt es deutliche Unterschiede zwischen der nördlichen und der südlichen Nordsee. Die nördliche Nordsee wird mehr durch den Einstrom von Wasser aus dem Atlantik dominiert. Hier sind die Wassermassen im Sommer klar in warmes Oberflächenwasser und kaltes Tiefenwasser geschichtet. In der südlichen Nordsee ist das Wasser viel stärker durchmischt – insbesondere durch die Wechselwirkung der Gezeiten mit der Küste und dem Meeresgrund. Zudem ist hier der Einfluss des Ärmelkanals stärker. Die EOF-Analyse zeigt für die Nordsee verschiedene auffällige Arten von Variabilität. Interessant ist etwa eine Zunahme der Wassertemperaturen in der gesamten Nordsee, wobei sich Nord und Süd unterscheiden. In der stärker durchmischten südlichen Nordsee ist die gesamte Wassersäule wärmer geworden. In der nördlichen Nordsee ist die deutliche Erwärmung eher auf die oberen Wasserschichten beschränkt.

Auffällig ist auch die Veränderung der Meeresströmungen. Diese haben in den vergangenen drei Jahrzehnten als Folge des veränderlichen Windregimes zugenommen. Ausnahme ist das Tiefenwasser in der nördlichen Nordsee, wo die Strömungsgeschwindigkeiten von den 1970er-Jahren bis in die 1990er-Jahre besonders gering waren. Welche Konsequenzen die in der Simulation aufgedeckten Phänomene für die Lebewesen in der Nordsee haben, ist noch nicht ganz klar. Ute Daewel vermutet aber, dass es beispielsweise durch die höheren Strömungsgeschwindigkeiten in der Nordsee zu einem verstärkten Einstrom von Nährstoffen aus dem Nordatlantik kommt, welcher zu einer Zunahme des Phytoplanktons in der zentralen Nordsee führt. Immerhin geht aus den Simulationen deutlich hervor, dass vor allem die veränderten Windverhältnisse über der Region für längerfristige Schwankungen im Phytoplankton der Nordsee verantwortlich sind. Auch hier müssen genauere Untersuchungen klären, was das im Detail für den Lebensraum bedeutet.

Den Einfluss des Klimawandels abschätzen

Ute Daewels Simulationen über lange Zeiträume sind wichtig, um die Veränderlichkeit von Nord- und Ostsee zu verstehen. Das ist auch von zentraler Bedeutung, um jene Variabilität zu erkennen, die durch den Klimawandel verursacht wird. Mittlerweile wurde die Simulation noch um einige Jahre verlängert und deckt nun den Zeitraum bis 2015 ab. „Wir wollen verstehen, welche Veränderungen auf natürliche Variabilität zurückzuführen sind und welche nicht“, sagt die Forscherin. Mit der 60-Jahres-Simulation ist sie diesem Wunsch ein gutes Stück näher gekommen.



Dr. Ute Daewel
Wissenschaftlerin Systemanalyse und Modellierung
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Jessica Klepgen
Pressearbeit Küstenforschung
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Silent Eddy Hunters

Large regions with wind parks have been cropping up in the German North Sea for several years. The foundation structures work like gigantic mixing rods that swirl the tidal current. Using underwater gliders, researchers from the Institute of Coastal Research now measure the strength of the turbulence so that they can assess consequences of offshore wind energy development on biological and chemical processes in the sea.

A glider is placed into the water. Image: Suzanna Clark

A glider is placed into the water. Image: Suzanna Clark

They glide silently through the ocean. They sink deeper and deeper until they reach remote corners of the global seas. All alone and far away from the harbour or a research vessel, they follow their own route. They’re called gliders, these new inconspicuous marine science measurement instruments. Their strength lies in their simplicity. Gliders float with small wings entirely without fuel for days and weeks at a time. They are propelled forward by the Archimedean principle—by changing their mass.

A small chamber that can be filled with water is located in their interior. This makes the gliders heavier so they can drop. The glider can adjust at which angle it descends so that it doesn’t simply sink to the seafloor. It thus drops like a sailplane as it approaches for landing. The piston pushes the water from the chamber when it is time to ascend again. The glider becomes lighter and slowly rises through the water like a sailplane when it ascends. The human-sized gliders currently run around 150,000 Euros, which makes them much cheaper than conventional underwater robots. No wonder they are slowly becoming the workhorse of marine research.

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Ein Kommentar

Highlight Thema: Lautlose Wirbeljäger

Text: Tim Schröder, Wissenschaftsjournalist

In der deutschen Nordsee werden seit einigen Jahren große Gebiete mit Windparks bebaut. Die Masten wirken wie gigantische Rührstäbe, die den Gezeitenstrom verwirbeln. Mit Unterwasser-Gleitern messen Forscher des Instituts für Küstenforschung jetzt, wie stark die Verwirbelungen sind – um einschätzen zu können, welche Folgen der Ausbau der Offshore-Windenergie auf biologische und chemische Prozesse im Meer haben könnte.

Ein Glider wird zu Wasser gelassen. Bild: Suzanna Clark

Ein Glider wird zu Wasser gelassen. Bild: Suzanna Clark

Lautlos wie kleine Segelflugzeuge gleiten sie durch die Ozeane. Die Nase voran sinken sie tiefer und tiefer, bis in die entrückten Winkel der Weltmeere. Ganz allein, fernab von einem Hafen oder Forschungsschiff folgen sie ihrer Bahn. Glider, Gleiter, nennt man diese neuen, unauffälligen Messinstrumente der Meereswissenschaften. Ihre Stärke ist ihre Schlichtheit. Gleiter schweben mit kleinen Tragflächen ganz ohne Treibstoff dahin –tage- und wochenlang. Sie bewegen sich nach dem archimedischen Prinzip voran – durch Veränderung ihrer Masse.

In ihrem Inneren befindet sich eine kleine Kammer, die mit Wasser gefüllt werden kann. Dadurch wird der Glider schwerer und sinkt ab. Damit er nicht einfach zu Boden sinkt, kann der Glider einstellen, in welchem Winkel er abtaucht. So sinkt er langsam wie ein Segelflugzeug im Landeanflug ab. Soll er wieder auftauchen, presst der Kolben das Wasser aus der Kammer. Der Glider wird leichter und steigt langsam wieder auf – wie ein Segler in gemächlichem Steigflug. Die mannshohen Glider haben derzeit einen Stückpreis von etwa 150.000 Euro – und sind damit deutlich günstiger als herkömmliche Unterwasserroboter. Kein Wunder, dass sie sich langsam zum Arbeitspferd der Meeresforschung entwickeln.

Millimeterkleine Miniwirbel

Auch Jeffrey Carpenter und Lucas Merckelbach aus dem Institut für Küstenforschung sind von den Vorzügen der Glider überzeugt – und setzen sie seit einiger Zeit verstärkt für ihre Forschung ein. Carpenter und Merckelbach sind auf der Jagd nach kaum wahrnehmbaren Phänomenen im Meer – nach Mini-Wirbeln, die nur wenige Zentimeter oder gar Millimeter groß sind. Wie sich zeigt, sind die Glider perfekt darin, diese Wirbel aufzuspüren, weil sie ganz ohne dröhnenden und vibrierenden Motor auskommen und damit sozusagen einen besonders feinen Tastsinn haben. Man mag sich fragen, warum winzig kleine Wirbel im Ozean überhaupt von Interesse sind. Doch Jeffrey Carpenter macht schnell klar, dass sie geradezu essentiell sind.

Ein Glider taucht ab - lautlos wie ein Segelflugzeug. Bild: Raimo Kopetzky

Ein Glider taucht ab – lautlos wie ein Segelflugzeug. Bild: Raimo Kopetzky

In den Meeren gibt es Wirbel die viele Kilometer groß sein können, doch am Rande teilt sich selbst der größte Wirbel wie der Tropfen Sahne im Tee in immer kleinere Wirbel auf. „Die Energie des großen Wirbels geht in die vielen kleinen Wirbel über“, sagt Carpenter, „und von dieser Energie hängt es ab, wie zwischen verschiedenen Wassermassen Wärme, Nährstoffe oder Sauerstoff vermischt werden.“ Indem die Forscher die Energie der kleinen Wirbel messen, können sie außerdem das Durchmischungspotential des großen Wirbels abschätzen.

Mächtiger Rühreffekt

Offshore-Windenergieanlagen wie diese wirken im Wasser wie gigantische Rührstäbe. Zieht der starke Gezeitenstrom an ihnen entlang, bilden sich Wirbel von mehreren Metern Durchmesser. Bild: Sabine Billerbeck

Offshore-Windenergieanlagen wie diese wirken im Wasser wie gigantische Rührstäbe. Zieht der starke Gezeitenstrom an ihnen entlang, bilden sich Wirbel von mehreren Metern Durchmesser. Bild: Sabine Billerbeck

In der letzten Zeit beschäftigen sich Carpenter und Merckelbach vor allem mit der Frage, wie sich künftig die vielen Windräder in der Nordsee auf die Wassermassen auswirken werden. Denn der Ausbau der Offshore-Windenergie schreitet atemberaubend schnell voran – so hat sich allein zwischen 2014 und 2015 die Gesamtleistung der in den deutschen Küstengebieten installierten Anlagen verdreifacht. Die sechs Meter breiten Masten der Windräder wirken wie gigantische Rührstäbe. Zieht der starke Gezeitenstrom an ihnen entlang, bilden sich Wirbel von mehreren Metern Durchmesser. „Wir wollen vor allem herausfinden, wie dieser Rühreffekt die Schichtung der Wassermassen in der Nordsee beeinflusst“, sagt Lucas Merckelbach. Diese Schichtung tritt vor allem im Sommer auf. Das Wasser an der Oberfläche ist warm und reich an Sauerstoff. Darunter befindet sich kaltes Wasser, das viele Nährstoffe enthält.

Einfluss auf die Schichtung der Wassermassen?

Zwischen ihnen liegt die sogenannte Sprungschicht, die beide Wasserschichten wie eine Grenze voneinander trennt, sodass sich diese nicht mehr vermischen. In der Nordsee liegt diese Sprungschicht im Sommer in etwa 20 Metern Tiefe. An der Sprungschicht ändert sich die Temperatur auf nur wenigen Metern Tiefendifferenz um etwa sechs Grad Celsius. Schwimmer kennen ein ähnliches Phänomen aus Badeseen: Zwar ist es an der Oberfläche schön warm. Beim Schwimmen aber tauchen die Füße unvermittelt in sehr kaltes Wasser ein. Carpenter und Merckelbach haben sich gefragt, inwieweit der Rühreffekt von Windrädern diese Sprungschicht stören oder gar auflösen könnte.

Vor einiger Zeit haben sie ihre Glider deshalb mehrmals in der Nähe von Windparks und in den künftigen Windparkarealen kreuzen lassen, um Mini-Wirbel zu messen. Die Messdaten haben sie mit einem Rechenmodell ausgewertet, mit dem sich bestimmen lässt, wie stark die Verwirbelungen zunehmen, wenn mehr und mehr Windräder errichtet werden. „Unsere ersten Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Rühreffekt einen Einfluss auf die Schichtung der Wassermassen haben könnte, wenn ein Drittel der deutschen Nordsee mit Windrädern bebaut sein sollte“, sagt Carpenter. Genau das sehen die deutschen Windpark-Planungen vor.

Acht Wochen unterwegs dank Stromsparprogramm

Welche Auswirkungen eine mögliche Durchmischung der Wassermassen an der Sprungschicht haben könnte, können die beiden noch nicht sagen. Dafür reichen die Messergebnisse noch nicht aus. Carpenter und Merckelbach wollen ihre Glider dieses Jahr deshalb erneut in die Nordsee schicken, um die Mini-Wirbel zu jagen. „Unsere Glider können vier bis acht Wochen am Stück unterwegs sein“, sagt Carpenter. „Das ist großartig, weil sie permanent Daten aufnehmen. Mit einem Forschungsschiff wäre das gar nicht zu bewältigen – vor allem auch, weil die Glider in der Tiefe auch bei rauer See arbeiten.“ In regelmäßigen Abständen taucht der Glider auf, um seine Position und die Messdaten über eine Satellitenverbindung zu den Forschern an Land zu senden. In umgekehrter Richtung können die Forscher dem Glider Befehle zusenden, zum Beispiel um eine neue Tauchroute festzulegen.

Offshore-Windpark in der Nordsee. Bild: Sabine Billerbek

Offshore-Windpark in der Nordsee. Bild: Sabine Billerbeck

Ein solcher Dauereinsatz ist nur möglich, weil die Glider extrem energiesparend sind. Das liegt daran, dass sie mit einer Geschwindigkeit von nur einem Kilometer pro Stunde durchs Wasser gleiten. Die Reibung ist bei diesem Schneckentempo sehr gering, sodass kein zusätzlicher Antrieb nötig ist. Nur für die Bewegung des Kolbens muss hin und wieder Energie aufgewendet werden. Zweitens benötigt die Recheneinheit an Bord kaum Strom. Alles in allem genügt eine Batterieleistung von nur drei Watt. Zum Vergleich: Ein Computer benötigt über 100 Watt.

Die feinen Wirbel misst der Glider mit einem speziellen Sensor, der an der Spitze einer Röhre sitzt, die an der Außenhaut des Gliders befestigt ist. Dieser sogenannte Mikrostruktur-Sensor funktioniert wie die Stimmlippe eines Blasinstruments. Durchschwimmt der Glider einen Mikrowirbel, regt der Wirbel den Sensor zu hochfrequenten Schwingungen an, die der Bordrechner speichert. „Wir können damit sehr genau ermitteln, wie energiereich die Mini-Wirbel sind“, sagt Merckelbach.

Europäisches Glider-Netzwerk

Ein Glider vor der "Ludwig Prandtl", einem der Forschungsschiffe des Instituts für Küstenforschung. Bild: Raimo Kopetzky

Ein Glider vor der „Ludwig Prandtl“, einem der Forschungsschiffe des Instituts für Küstenforschung. Bild: Raimo Kopetzky

Inzwischen haben sich europaweit mehrere Forschungsgruppen in dem EU-Projekt GROOM (Gliders for Research, Ocean Observation and Management) zusammengetan, in dem ein Netzwerk von Glidern aufgebaut wird. Jede Gruppe verfolgt dabei ein eigenes Ziel, kann aber von den Messwerten der anderen profitieren. Mit der Beobachtung von Mini-Wirbeln in Windparks aber haben Carpenter und Merckelbach Neuland betreten. Derzeit sind sie die ersten, die die Verwirbelungen an Windparks mit Glidern und Mikrostruktur-Sensoren messen.


Dr. Jeffrey Carpenter
Abteilungsleiter Kleinskalige Physik und Turbulenz
Tel.: +49 (0)4152 87-1546

Dr. Lucas Merckelbach
Wissenschaftler Kleinskalige Physik und Turbulenz
Tel.: +49 (0)4152 87-1515

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Three elements in one sweep

Where does the sediment in the Wadden Sea and the silt in the harbour of Hamburg come from? How are pollutants in the environment distributed? Questions like these can, for example, be answered today though chemically analysing trace elements in sediment or water samples. These methods, however, are still often very time-consuming because the analysis samples must be processed with a great deal of effort. A HZG doctoral candidate, Tristan Zimmermann, has therefore developed a method that vastly speeds up sample preparation. His method will help ease everyday laboratory work for researchers all over the world. His endeavours have now been awarded a prize at a scientific conference.

Sediment samples from the North Sea. Photo: HZG / Daniel Pröfrock

Sediment samples from the North Sea. Photo: HZG / Daniel Pröfrock

The origin of the sediment

The Wadden Sea is very unique in that it is constantly in motion. With the alternating ebb and flood, masses of water are virtually pumped back and forth. The mud is rinsed away and deposited at another location. When breaking seas approach the coasts during a hurricane, tons of sediment are whirled up and transported. Scientists at the Institute of Coastal Research of the Helmholtz-Zentrum Geesthacht want to understand these processes. They wish to ascertain where the material comes from, what path the material takes, where it is deposited and how these processes contribute to pollutant distribution.

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Highlight Thema: Drei Elemente auf einen Streich

Text: Tim Schröder, Wissenschaftsjournalist

Woher kommen das Sediment im Wattenmeer oder der Schlick im Hamburger Hafen? Wie verteilen sich Schadstoffe in der Umwelt? Fragen dieser Art können Wissenschaftler heute durch die chemische Analyse von beispielsweise Spurenelementen in Sediment- oder Wasserproben beantworten. Noch aber sind diese Verfahren oftmals extrem zeitraubend, weil die Proben für die Analyse mit großem Aufwand aufbereitet werden müssen. Der HZG-Doktorand Tristan Zimmermann hat deshalb ein Verfahren entwickelt, das die Aufbereitung der Proben enorm beschleunigt. Damit wird er zukünftig Forschern weltweit den Laboralltag erleichtern. Jetzt wurde seine Arbeit während einer wissenschaftlichen Tagung mit einem Preis ausgezeichnet.

Die Herkunft des Sediments

Wie kaum ein anderer Lebensraum ist das Wattenmeer ständig in Bewegung. Mit dem Wechsel von Ebbe und Flut werden Wassermassen gleichsam hin und her gepumpt. Der Wattboden wird fortgespült und an anderer Stelle abgelagert. Wenn bei einem Orkan die Brecher gegen die Küsten anrollen, werden Tonnen von Sediment aufgewirbelt und verfrachtet. Die Wissenschaftler des Instituts für Küstenforschung am Helmholtz-Zentrum Geesthacht wollen diese Prozesse verstehen. Sie wollen herausfinden, woher das Material stammt, welche Wege das Material nimmt, wo es sich ablagert und wie diese Prozesse zur Verteilung von Schadstoffen beitragen.

Sedimentproben aus der Nordsee. Foto: HZG / Daniel Pröfrock

Sedimentproben aus der Nordsee. Foto: HZG / Daniel Pröfrock

Antworten liefern ihnen moderne, chemische Analysemethoden, mit denen die Wissenschaftler bestimmen können, wie viel von bestimmten Elementen zum Beispiel in einer Sedimentprobe aus dem Wattenmeer oder im Elbeschlick enthalten ist. „Im Grunde bestimmen wir mit diesen Methoden den Elementfingerabdruck einer Sedimentprobe, aus dem wir schon erste Informationen zur möglichen Herkunft sowie den Eigenschaften des Sediments erfahren“, sagt Daniel Pröfrock, Leiter der Abteilung „Marine Bioanalytische Chemie“ am Institut für Küstenforschung.

Isotope machen den Unterschied

Letztlich besteht jedes Sediment aus winzigen Pflanzenresten und Gesteinsbröckchen, die durch Verwitterung, den Regen oder durch Flüsse aus dem Gestein ausgewaschen werden. Das Gestein wiederum setzt sich je nach Alter und Entstehungsgeschichte aus bestimmten chemischen Elementen zusammen und hat damit ebenfalls eine Art chemischen Fingerabdruck. Zu den für die Geesthachter Wissenschaftler besonders interessanten Bestandteilen gehören in diesem Falle Elemente wie Blei, Neodym und Strontium. Alle drei zeichnen sich dadurch aus, dass sie in der Natur aus mehreren sogenannten stabilen Isotopen bestehen.

Probenahme im Watt. Foto: HZG / Ina Frings

Probenahme im Watt. Foto: HZG / Ina Frings

Als Isotope bezeichnet man jene Atome eines chemischen Elements, die sich in der Anzahl ihrer Neutronen unterscheiden und dadurch eine unterschiedliche Atommasse aufweisen. Vom Element Strontium zum Beispiel gibt es in der Natur vier stabile Isotope mit den Massen 84, 86, 87 und 88. Die relative Häufigkeit dieser vier Isotope unterscheidet sich in der Natur geringfügig und hängt von den geologischen und radioaktiven Prozessen ab, die im Laufe der Jahrmillionen an verschiedenen Orten unterschiedlich abgelaufen sind. Je nach Alter und Zusammensetzung eines Gesteins variieren die Gehalte einzelner Isotope also.

Damit trägt ein Gestein aufgrund seines Herkunftsorts auf der Erde einen ganz charakteristischen Isotopen-Fingerabdruck. Untersucht man die Bestandteile des Sediments im Wattenmeer, kann man auf diese Weise beispielsweise erkennen, ob das Sediment aus dem Einzugsgebiet der Elbe stammt oder über andere Flusssysteme herantransportiert wurde.

Zeitraubende Vorbereitung

Das Problem: Da die Isotope von Blei, Neodym und Strontium in Sedimentproben nur in winzigen Mengen enthalten sind, ist die Analyse extrem aufwendig – vor allem die Vorbereitung der Proben. Die Wissenschaftler müssen besonders sauber arbeiten und die verschiedenen chemischen Elemente exakt voneinander trennen, um die extrem kleinen Unterschiede in der Isotopenzusammensetzung richtig bestimmen zu können. Denn lösen sie nur einen Teil der gesuchten Elemente aus der Probe, werden die Isotopenverhältnisse nicht akkurat bestimmt.

Abteilungsleiter Dr. Daniel Pröfrock bei der Aufbereitung von Proben im Labor. Foto: HZG / Ulrike Kleeberg

Abteilungsleiter Dr. Daniel Pröfrock bei der Aufbereitung von Proben im Labor. Foto: HZG / Ulrike Kleeberg

Etabliert ist ein Verfahren, bei dem in mühevoller Handarbeit im Labor die Isotope der verschiedenen chemischen Elemente von den restlichen störenden, in der Probe enthaltenen Elementen Schritt für Schritt  getrennt werden. Dazu wird die Sedimentprobe zunächst mit Säuren verflüssigt. Anschließend wird die Flüssigkeit in kleine Reagenzgläser pipettiert. Darin befinden sich sogenannte Ionentauscher-Harze, an die sich die verschiedenen Elemente aus der Probenlösung binden. Die störenden Elemente werden durch Zugabe unterschiedlicher Reagenzien nach und nach abgetrennt.

Bislang muss diese Trennung für Blei, Neodym und Strontium aber separat durchgeführt werden, weil sie sich nicht in einem Rutsch im Dreierpack von den übrigen Elementen separieren lassen. „Diese Probenvorbereitung ist so aufwendig“, sagt Tristan Zimmermann, Doktorand in der Abteilung von Daniel Pröfrock „dass eine Person an einem Tag nur etwa 20 Proben bearbeiten kann.“

Drei Elemente gemeinsam herausfischen

Um diesen Arbeitsschritt zu erleichtern, hat Tristan Zimmermann jetzt ein neues Verfahren entwickelt, mit dem die Proben deutlich schneller aufbereitet und die Istope der gewünschten Elemente  automatisch voneinander getrennt werden. Der dafür benötigte Automat ist seit kurzer Zeit auf dem Markt kommerziell erhältlich. Doch musste Tristan Zimmermann den Apparat zunächst für seine Zwecke fit machen.

Aktuell arbeitet er in der Abteilung „Marine Bioanalytische Chemie“ vor allem an den Elementen Blei, Neodym und Strontium. Wie erwähnt muss die Probenaufbereitung und Abtrennung der Isotope von jedem dieser drei Elemente einzeln per Hand durchgeführt werden. Zimmermann aber ist es jetzt gelungen, die Trennung in einem Schritt ablaufen zu lassen. Er setzt dafür ein spezielles Ionentauscher-Harz ein, das bislang vom Hersteller eigentlich nur für die Abtrennung von Strontium-Isotopen angeboten wird. Wie Zimmermann feststellte, ermöglichen es die chemischen Eigenschaften des Ionentauscher-Harzes jedoch, alle drei gewünschten Elemente zugleich aus einer Sedimentprobe herauszufischen. „Durch Zugabe verschiedener Säuren mit unterschiedlichen Säurestärken kann man anschließend die Isotope der Elemente Blei, Neodym und Strontium nacheinander von dem  Ionentauscher herunterlösen und so voneinander trennen“, sagt Zimmermann.

Preiswürdiges Verfahren spart Zeit

Danach werden die aus der Probe abgetrennten Elemente dann getrennt voneinander in einem anderen Gerät, dem Element-Massenspektrometer, auf den Gehalt ihrer verschiedenen Isotope untersucht. Insbesondere bei umfangreichen Umweltstudien ist die Probenvorbereitung der limitierende Faktor. Durch die Arbeit von Tristan Zimmermann aber kann der Zeitaufwand für die Probenvorbereitung künftig enorm verkürzt werden. Zum einen, indem er mit einem einzigen Arbeitsschritt die Isotope der Elemente Blei, Neodym und Strontium aus einer Probe herausfiltert. Zum anderen, indem es ihm gelungen ist, diesen Prozess automatisiert ablaufen zu lassen.

HZG-Doktorand Tristan Zimmermann, der Entwickler des neuen Verfahrens, bei der Probenahme in der Elbe. Foto: HZG / Daniel Pröfrock

HZG-Doktorand Tristan Zimmermann, der Entwickler des neuen Verfahrens, bei der Probenahme in der Elbe. Foto: HZG / Daniel Pröfrock

„Das neue Verfahren dürfte künftig die Arbeit in vielen Analyselabors weltweit deutlich vereinfachen, weil es unzählige Stunden an Probenvorbereitung einsparen wird“, sagt Daniel Pröfrock. So überrascht es nicht, dass die Arbeit von Tristan Zimmermann kürzlich bei einem Treffen von Analytikexperten und Massenspektrometrie-Anwendern mit einem Preis für das beste Poster geehrt worden ist. Dieses Treffen wird von der Deutschen Gesellschaft für Massenspektrometrie (DGMS) alle zwei Jahre veranstaltet und von gut 150 Fachleuten aus der Industrie und der Forschung besucht. Das prämierte Poster mit dem Titel „Optimization of a new fully-automated sample preparation system for isotopic analysis of sediment digests via MC ICP-MS“, das in Kooperation mit Kollegen der Universität für Bodenkultur in Wien entstanden ist, wurde von der Firma Tofwerk mit einem Sachpreis ausgezeichnet.

Die Historie der Umweltverschmutzung

Auch in den HZG-Labors wird Zimmermanns neue Methode die Arbeit wesentlich erleichtern. Neodym und Strontium sind jene Elemente, an deren Isotopen-Zusammensetzung sich die Herkunft von Sedimenten besonders gut ablesen lässt. Die Blei-Isotope wiederum sind besonders geeignet, um die vom Menschen verursachte Umweltverschmutzung zu erforschen. Hierbei machen sich die Forscher zunutze, dass Blei je nach Herkunft eine charakteristische Isotopen-Zusammensetzung aufweist. Blei-Isotope im Sediment können demnach Hinweise liefern, ob es sich bei den gemessenen Werten um den natürlichen Untergrund handelt oder um Verschmutzungen, die durch Aktivitäten des Menschen in die Umwelt gelangt sind.

So kann man beispielsweise auch Blei aus Autoabgasen nachweisen, das vor wenigen Jahrzehnten noch dem Benzin beigemischt wurde. „In ruhigen Alt-Armen von Flüssen, die den Strömungen kaum ausgesetzt sind, findet man oft säuberlich geschichtete Sedimente, die recht alt sind, und an denen man dann entsprechende Entwicklungen rekonstruieren kann“, sagt Daniel Pröfrock. „Wenn wir zugleich das Alter der Schichten bestimmen, können wir exakt feststellen, zu welcher Zeit das Blei in die Umwelt gelangt ist – zum Beispiel zu Beginn der Industriellen Revolution.“ Dank der neuen Methode von Tristan Zimmermann werden die HZG-Wissenschaftler ihren Sedimenten künftig noch sehr viel schneller wichtige Informationen entlocken können.



dscf1394_daniel_proefrockTristan Zimmermann
Marine Bioanalytische Chemie
Tel: +49 (0)4152 87-2845


dscn5838_ulrike_kleebergDr. Daniel Pröfrock
Marine Bioanalytische Chemie
Tel: +49 (0)4152 87-2846


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