Küstenforschung


Ein Kommentar

Neue Expedition mit Zeppelin

Screenshot hzg.de

Am 20. September 2017 startet unter Leitung des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG) eine besondere Expedition im deutschen Wattenmeer und in der Elbe.

Die 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. (Quelle: HZG Pressemitteilung)

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Von Freest bis Flensburg – Sonnencreme und Outdoorjacken

Beitrag von Christina Apel, Dr. Jürgen Gandraß, Abteilung Umweltchemie 

Ein Team der Abteilung Umweltchemie des Instituts für Küstenforschung war vom 3. bis zum 11. September 2017 wieder neuartigen Problemstoffen auf der Spur. Wie schon im Juni mit der „Ludwig Prandtl“, diesmal aber in der Ostsee. Auch von Land aus wurden Proben von wichtigen Zuflüssen genommen. Mit an Bord waren Christina, Freya, Jürgen, Moritz und Pu sowie die Prandtl-Crew Helmut und Detlef. Das Wetter war wie bestellt, nur hätten wir uns etwas mehr Sonne gewünscht. Dank des milde gestimmten Wettergottes konnten wir aber alle Stationen wie geplant beproben.

An den einzelnen Stationen wurden Wasser- und Sedimentproben genommen, die wir im Labor u.a. auf Kunststoffadditive und Poly- und perfluorierte Substanzen untersuchen werden.

Kunststoffe enthalten eine Reihe von Substanzen, wie z.B. Flammschutzmittel oder auch UV-Stabilisatoren, um gewünschte Eigenschaften zu erzielen, z.B. zu verhindern, dass Kunststoffe spröde werden oder sich im Sonnenlicht zersetzen. Interessanterweise werden einige dieser Substanzen auch in Sonnenschutzmitteln verwendet.

Sogenannte PFCs (Poly- und perfluorierte Substanzen) sind im Alltag allgegenwärtig. Man findet sie in Oberflächenbeschichtungen vom Coffee-to-go-Becher über die Bratpfanne bis hin zur Outdoorjacke oder auch in anderen Anwendungsbereichen, wie z.B. in Feuerlöschschäumen.

Was ist daran nun so spannend?

Bei einer Reihe von Substanzen, die als Kunststoffadditive oder als PFCs eingesetzt werden, weiß oder vermutet man, dass diese für die Umwelt bedenklich sein können. Über ihr Verhalten im marinen Bereich ist bisher jedoch sehr wenig bekannt. Zudem wurde und wird die Produktion und Anwendung aufgrund neuer Erkenntnisse eingeschränkt oder verboten, wodurch zwangsläufig neue Chemikalien auf den Markt kommen, über die keinerlei Informationen vorliegen. Bald wissen wir aber mehr!

(Fotos: Christina Apel, Freya Debler, Jürgen Gandraß / HZG)


Rhein Beprobung erfolgreich beendet

Beitrag von Dr. Daniel Pröfrock und Dr. Johanna Irrgeher, Abteilung Marine Bioanalytische Chemie

Nach Zwischenstopps in Bad Honnef, Koblenz, Wiesbaden, Mannheim und Karlsruhe sowie ca. 600 km Fahrtstrecke auf dem Rhein konnte die Beprobung erfolgreich abgeschlossen werden. Insgesamt wurden an 77 Stationen mit Hilfe des institutseigenen Schlauchboots „Tümmler“ Sediment- und Wasserproben genommen, bis in den Bereich der ersten Rheinstaustufe bei Iffezheim.

Ein Begleitteam sorgte zusätzlich von Land aus für die Beprobung von ausgewählten Stationen entlang der wichtigsten Rheinzuflüsse bzw. im Bereich oberhalb der Staustufen, so dass Proben aus dem gesamten deutschen Einzugsgebiet gewonnen werden konnten. Als Begleitfahrzeug kam erstmalig ein kleines Kühlfahrzeug zum Einsatz, in dem die Proben während der kompletten Kampagne bei Temperaturen um den Gefrierpunkt gelagert wurden, da ein direkter Transport ins Labor aufgrund der großen Entfernung zum Institut für Küstenforschung logistisch kaum zu realisieren wäre.

Eine besondere Herausforderung bei der gesamten Kampagne stellte der ununterbrochene Schiffsverkehr auf dem Rhein dar, der weltweit zu den am stärksten befahrenen Wasserstraßen zählt. Zusätzlich kam es am vorletzten Tag wegen starker Regenfälle in den flussaufwärts liegenden Gegenden der Beprobung zu einem starken Anstieg des Rheinwasserpegels, der an verschiedenen Stellen die Strömungsgeschwindigkeit deutlich verstärkte, wodurch das Manövrieren auf dem Fluss noch anspruchsvoller wurde.

(Fotos: Daniel Pröfrock / HZG)

Von der Wasserseite aus konnte man sehr gut erkennen, wie stark dieser Fluss bis heute durch den Menschen beeinflusst wird. Dies zeigt sich insbesondere in den fast vollständig durch wasserbauliche Maßnahmen befestigten Uferbereichen sowie den immer wieder auftauchenden großen Industrieansiedlungen direkt am Rhein, die den Fluss als Transportweg bzw. als wichtige Quelle für ihr Prozesswasser nutzen.

Der zeitaufwändigste Teil der Arbeit steht uns Wissenschaftlern aber erst bevor, denn alle Proben müssen jetzt für die anstehenden Messungen vorbereitet werden. So werden die Wasserproben filtriert, um später sowohl die gelösten Schadstoffe wie auch solche, die an den Schwebstoff gebunden sind, erfassen zu können.

Bei den genommenen Sedimentproben ist der Vorbereitungsprozess noch etwas umfangreicher: Diese werden zuerst bei -80°C eingefroren und anschließend gefriergetrocknet, um das Wasser schonend aus den Proben zu entfernen. Die so vorbereiteten Proben werden dann homogenisiert und im Anschluss gesiebt um die < 63 µm bzw. <20 µm Partikelfraktion aus dem Sediment abzutrennen, an denen aufgrund ihrer Größe und chemischen Zusammensetzung erfahrungsgemäß die meisten Schadstoffe gebunden sind. Die so gewonnenen Fraktionen werden dann mit Säuren aufgelöst bzw. mit Lösungsmitteln extrahiert, um die eigentliche Messprobe zu erhalten, in denen dann mit modernen analytischen Verfahren der Schadstoffgehalt bestimmt wird.

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(Fotos: Daniel Pröfrock / HZG)

Eine Übersicht über den gesamten beprobten Bereich sowie weitere Impressionen und erste Ergebnisse werden in Kürze auf der Webseite der Abteilung Marine Bioanalytische Chemie präsentiert.


Beprobung des Rheins gestartet

Beitrag von Dr. Daniel Pröfrock, Leiter der Abteilung Marine Bioanalytische Chemie

Ausgehend von der Stadt Emmerich in der Nähe der niederländischen Grenze ist ein Team des Bereichs Biogeochemie im Küstenmeer zu einer Beprobung des Rheins aufgebrochen. Aufgrund der schweren Zugänglichkeit des Rheins bzw. um an allen geplanten Stationen sowohl Wasser- als auch Sedimentproben nehmen zu können, kommt das Schlauchboot „Tümmler“ zum Einsatz, das aufgrund seines geringen Tiefgangs auch extrem flache Uferbereiche anfahren kann bzw. solche Bereiche, die von Land aus nicht zugänglich sind. Zusätzlich erreicht es eine Reisegeschwindigkeit von bis zu 40 km/h, so dass die einzelnen Stationen schnell angefahren werden können.

Ziel des Projekts ist es, Quellgebiete für anorganische Schadstoffe präzise beschreiben zu können und die Endglieder der Transportwege in die Nordsee zu determinieren und zukünftig besser charakterisieren zu können.

Am ersten Tag konnten insgesamt 16 Stationen beprobt werden, wobei eine Strecke von über 116 km zurückgelegt wurde. Die nächste Etappe endet in Bad Honnef.

Für die Planung der Kampagne, die in Kooperation mit der Abteilung Modellierung zur Bewertung von Küstensystemen durchgeführt wurde, kam ein GIS-basiertes System zum Einsatz. Durch die Orientierung an Probennahmestationen des Gütemessnetzes am Rhein sowie der Nutzung von hochaufgelösten Satellitenbildern, konnte die gesamte Kampagne optimal vorbereitet werden und schon im Vorfeld die mögliche Zugänglichkeit der verschiedenen Probennahmepunkte überprüft werden. Eine neue GIS-basierte App erleichtert außerdem während des Feldeinsatzes das Auffinden der Probenpunkte und die Dokumentation der aufgenommenen Begleitparameter.

Die gewonnenen Proben werden im Anschluss an die Kampagne im Labor der Abteilung Marine Bioanalytische Chemie für die anstehenden Messungen vorbereitet. Ein Fokus liegt dabei auf der Analyse von Multielementfingerprints mit Hilfe der ICP Tandemmassenspektrometrie, mit der über 60 Elementkonzentrationen in den Proben erfasst werden. Parallel dazu werden die Proben mit der sogenannten Multikollektor Plasma Massenspektrometrie untersucht, die eine hochpräzise Messung von Isotopenverhältnissen ausgewählter Elemente erlaubt, die Rückschlüsse auf ihre Herkunft zulassen.

Wie schon bei verschiedenen anderen Kampagnen im Watt bzw. in der Elbe werden von verschiedenen Standorten auch wieder Proben für die Kollegen der Bundesanstalt für Gewässerkunde in Koblenz (BfG) genommen, mit dem das Institut für Küstenforschung seit einiger Zeit kooperiert bzw. seit diesem Jahr einen offiziellen Kooperationsvertrag unterhält.

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(Fotos: Daniel Pröfrock / HZG)


Von Scharhörn bis Oortkaten

Lachgas-Laser, Wasserschöpfer, Kastengreifer – auf einer Messkampagne auf der Elbe kamen viele Forschungsgeräte zum Einsatz. Fünf Wissenschaftler aus der Küstenforschung sind für vier Tage auf dem Forschungsschiff „Ludwig Prandtl“ unterwegs gewesen. Die Fahrtleiterin Dr. Tina Sanders und ihr Team kommen aus der Abteilung Aquatische Nährstoffkreisläufe. Ziel ihrer Messkampagne: eine Massen- und Isotopenbilanz für Stickstoff im Elbe-Ästuar und der angrenzenden Küstenregion aufstellen.

Die Fahrt führte die Wissenschaftler auch am Hamburger Hafen vorbei. Foto: Sina Bold / HZG

Erhöhte Nährstoffeinträge

Stickstoff ist von großer Bedeutung für das Ökosystem. Deshalb untersuchen die Forscherinnen und Forscher den Stickstoffkreislauf mit all seinen Prozessen. Allerdings gilt auch hier: Alles in Maßen – zu viel Stickstoff ist schädlich für Gewässer. Das Problem: Insbesondere durch die Landwirtschaft werden mehr Nährstoffe in die Flüsse, in diesem Fall in die Elbe eingetragen. So wird das Gewässer überdüngt, Algen wachsen im Übermaß, sterben ab, Bakterien zersetzen die Algen, verbrauchen dabei mehr Sauerstoff als dem Gewässer gut tut und es kommt zu einer Sauerstoffarmut, die sich wiederum auf andere Lebewesen auswirkt (s. auch unser Highlight Thema Nährstofffracht aus dem Binnenland)

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Untersuchungen im Windpark DanTysk

Beitrag von Tristan Zimmermann und Larissa Schultze

Zwischen dem 17. und dem 20. Juli waren Mitglieder aus den Forschungsgruppen Kleinskalige Physik und Turbulenz, Marine Bioanalytische Chemie und Submesoskalige Dynamik unterwegs in der Nordsee mit dem Forschungsschiff „Ludwig Prandtl“. Ziel der Forschungsexpedition war es, chemische und physikalische Parameter in der Umgebung von Offshore Windkraftanlagen zu untersuchen, die bisher weitgehend unerforscht sind.

Windkraftanlage im Offshore Windpark DanTysk; Foto: HZG / Anna Reese

Die Errichtung mehrerer Offshore Windkraftanlagen in Küstengewässern wirft unterschiedlichste wissenschaftliche Fragen auf. Einer der Schwerpunkte dieser Expedition war es, Informationen über die Temperaturschichtung der Wassersäule in unmittelbarer Nähe zu den Windmühlen zu sammeln, da diese Turbulenz bei fließender Strömung erzeugen. Die Zunahme an Turbulenz durch die installierten Windmühlen könnte dazu beitragen, dass die Temperaturschichtung vor Ort geschwächt wird oder gar verschwindet, was gegebenenfalls einen bedeutenden Einfluss auf das marine Ökosystem haben könnte. Um die möglichen Veränderungen der Temperaturschichtung innerhalb des Windparks zu untersuchen, wurde eine Schleppkette verwendet. Die Schleppkette ist eine Kette von hochauflösenden CTD-Sensoren (Leitfähigkeit, Temperatur und Tiefe), welche in dieser Expedition die Wassersäule von der Wasseroberfläche bis unterhalb der Temperaturschichtung gemessen hat.

Schlauchboot Tümmler während Messungen mit einer Schleppkette im Windpark DanTysk; Foto: HZG / Anna Reese

Ein weiteres Ziel der Arbeiten war es, Wasser und Sedimentproben im Bereich des Windparks zu gewinnen. Dank einer Genehmigung des Windparkbetreibers konnten erstmals Wasserproben direkt innerhalb des Windparks in der Nähe der Anlagen genommen werden. Im Labor sollen diese Proben dann auf ihren Schwermetallgehalt hin untersucht werden. Hierfür wird am HZG die Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) verwendet. Die so erhobenen Daten fließen in ein Projekt ein, das die Abteilung Marine Bioanalytische Chemie aktuell in Zusammenarbeit mit dem Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrografie (BSH) bearbeitet. In diesem geht es um die Frage, welche stofflichen Emmisionen von Offshore Windanlagen ausgehen. Von besonderem Interesse ist hierbei das Verhalten sogenannter Opferanoden, die verwendet werden, um die Windkraftanlagen vor Korrosion durch das salzhaltige Meerwasser zu schützen. Da sich die Anoden mit der Zeit auflösen, besteht die Möglichkeit, dass Legierungsbestandteile der Anoden in die Umwelt gelangen.

Aufgrund der guten Wetterbedingungen konnten alle geplanten Experimente erfolgreich durchgeführt werden, so dass die Wissenschaftler bereits einen Tag früher als geplant die Rückreise nach Geesthacht antreten konnten. Aktuell werden die erhobenen Messdaten ausgewertet und die gewonnenen Proben für die anstehenden Messungen vorbereitet.


Unterwegs auf der „Heincke“

Beitrag von Dr. Klas Ove Möller, Abteilung In-situ Messsysteme

Die Kooperation und meine damit verbundene Teilnahme an der Forschungsreise des Instituts für Chemie und Biologie des Meeres (ICMB)  als Wissenschaftler vom Institut für Küstenforschung am Helmholtz-Zentrum Geesthacht ergab sich hauptsächlich aus der Zusammenarbeit beider Institute im Rahmen des EU-Projekts NeXOS (Next Generation Web-Enabled Sensors for the Monitoring of a Changing Ocean).

Innerhalb des Projektes wurden von Wissenschaftlern beider Institute neue Sensoren entwickelt, hauptsächlich zur Messung verschiedener Parameter der Phytoplankton Abundanz und Diversität, welche auf dieser Forschungsfahrt ihren ersten “Härtetest” erfahren. Außerdem kommt es innerhalb des Projektes auch zu einer Präsentation, zu der andere Projektpartner für einen Tag von der norwegischen Insel Runde aus an Bord kommen werden.

Der wissenschaftliche Schwerpunkt der Reise liegt darin, das Phytoplankton an der nur wenige Zentimeter bis Meter tiefen Meeresoberfläche sowie deren Einfluss auf die CO2 Flüsse zwischen Ozean und Atmosphäre zu erfassen. Der Fokus meiner Arbeit ist der Transport und Austausch von gebundenem Kohlenstoff als so genannter „marine snow“ in den hochproduktiven küstennahen Meeresgebieten sowie der Wechselwirkung mit dem offenen Ozean und ist daher eng an die Arbeit der Wissenschaftler vom ICMB gekoppelt.

Nach eher unruhigeren Bedingungen und Wellen im Atlantik bietet das spiegelglatte Wasser im Sognefjord beste Forschungsbedingungen zum Beproben der obersten Wasserschicht.

Foto: HZG / Klas Ove Möller

 

Foto: HZG / Klas Ove Möller

 

Neue Sensoren gekoppelt an das FerryBox System des HZG. Foto: HZG / Klas Ove Möller

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Warten, dass der Wind nachlässt

Beitrag von Hanna Joerss, Doktorandin in der Abteilung Umweltchemie

Probennahmekampagne zur Untersuchung von organischen Schadstoffen in der Nordsee

Vom 6. bis 12.6. konnten wir als Abteilung „Umweltchemie“ das Forschungsschiff „Ludwig Prandtl“ für eine Probennahmekampagne in der Deutschen Bucht nutzen. Dabei sollten Wasser- und Sedimentproben genommen werden, um sie auf organische Schadstoffe zu untersuchen.

Für die Mehrzahl von uns war es die erste Kampagne, sodass wir nach der aufwendigen Planung und Organisation im Vorfeld sehr gespannt darauf waren, was uns erwartet. Geplant waren insgesamt 39 Stationen – zunächst die Elbe entlang von Oortkaten nach Cuxhaven und dann in der Deutschen Bucht auf der Route Cuxhaven-Norderney-Helgoland-Büsum-Glückstadt. An Bord waren Heiko und Detlef als Besatzung und wir in der Regel zu dritt als Team unserer Abteilung.

Der erste Tag von Oortkaten nach Cuxhaven lief wie geplant und wir konnten die Abläufe bei der Probennahme einspielen. An den einzelnen Stationen nahm zunächst einer von uns eine Wasserprobe, indem ein Schöpfer mit einer eingespannten Flasche ins Wasser gelassen wurde. Gleichzeitig wurden über die FerryBox Temperatur, pH-Wert, Salinität, Leitfähigkeit und Trübung erfasst. Anschließend erfolgte die Sedimentprobennahme mit dem Kastengreifer. Dabei steuerte Detlef den Kran, der den Kastengreifer vom Schiff ins Wasser befördert, und zwei von uns stabilisierten den Greifer und entnahmen den Kasten mit der Sedimentprobe.

Zur Dokumentation der Probenahme testeten wir eine neue App, über die die Daten direkt in die interne Datenbank übertragen werden können.

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Von Cuxhaven aus ging es zunächst nicht weiter, da Wind und Wellen zu stark waren, um mit der „Ludwig Prandtl“ den Hafen zu verlassen. Das hieß umplanen, Unterkünfte an den nächsten Etappenzielen umbuchen und warten. Am dritten Morgen nach der Ankunft in Cuxhaven hatten sich Wetter und See zum Glück wieder so beruhigt, dass wir die Kampagne fortsetzen konnten. Die guten Wetterbedingungen hielten sich auch an den nächsten Tagen und wir konnten letztendlich doch fast alle geplanten Stationen anfahren.

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Die Proben wurden während der Kampagne im Laborcontainer gekühlt bzw. eingefroren und im Anschluss zum HZG transportiert, wo sie gerade im Labor analysiert werden. Im Fokus steht dabei die Untersuchung der Proben auf per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFASs).

Bei PFASs handelt es sich um eine Gruppe organischer Verbindungen, die gleichzeitig wasser-, fett- und schmutzabweisend sind. Zudem weisen sie eine hohe chemische und thermische Stabilität auf. Aufgrund dieser besonderen Eigenschaften werden die Substanzen vielfältig eingesetzt. Im Alltag begegnen sie uns zum Beispiel in Outdoor-Bekleidung, in der Anti-Haft-Beschichtung von Pfannen und in Lebensmittelverpackungen wie Coffee-To-Go-Bechern oder Popcorn-Tüten.

(Fotos: HZG/Hanna Joerss, HZG/Celia Bento)


Der Dokumentation

Foto: HZG / Ina Frings

auf unserem letzten Freitagsfoto ging eine aufwendige Probennahme im Watt voraus. Die wiederum nur ein kleiner Teil einer groß angelegten Messkampagne im Wattenmeer 2014 war. Watt ist nicht gleich Watt. Auch das wird notiert, um welche Art es sich handelt. In diesem Fall war es tiefer Schlick, der die Probennahme von Sediment und Wasser zu einer echten Herausforderung machte. Auf den Webseiten der Abteilung Marine Bioanalytische Chemie ist die umfangreiche Wattenmeerkampagne inklusive der Ergebnisse ausführlich dokumentiert.

Umso bewundernswerter, wenn eine saubere Dokumentation inmitten dieses Umfelds erfolgt! Die komplette Geschichte dieses Teilstücks der Messkampagne kann man als Probennahme im Watt nachlesen.


Ein Kommentar

HCU goes Ludwig Prandtl

Ein Beitrag von Hydrographie Studenten aus der HafenCity Universität Hamburg

Mitte November wurde die „Ludwig Prandtl“ von Hydrographie-Studierenden der HafenCity Universität Hamburg (HCU) geentert. In der Woche vom 14.-18.11. übernahmen die angehenden Hydrographen das Kommando für die anstehende Expedition. Während der Montag noch ganz im Zeichen der Vorbereitungen und Eingewöhnung stand, stach die „Ludwig Prandtl“ dann am Dienstag in See. Die Route führte von Oortkaten ausgehend, der Norderelbe folgend nach Wedel und von dort weiter nach Glückstadt. Am Donnerstag und Freitag erfolgte die Rückfahrt mit kleinen Abstechern durch den Hamburger Hafen.

Während der Messfahrt wurden durchgehend Daten mit dem Einstrahlecholot und dem Seitensichtsonar erhoben, um die Wassertiefe und Bodenstrukturen zu erfassen. An vorher geplanten Stationen kamen zusätzlich ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) und die CTD-Sonde (Conductivity-Temperature-Depth) zur Bestimmung von Strömungen und physikalischen Parametern der Wassersäule zum Einsatz.

Eine besondere Herausforderung für die Studenten bestand darin, die komplette Fahrt eigenständig zu planen. Dabei mussten nicht nur Tide und Hindernisse wie Brücken beachtet werden, sondern auch sinnvolle Stationen für Messungen festgelegt werden. Dies geschah stets in enger Abstimmung mit der Besatzung der „Ludwig Prandtl“.

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Die Auswertung und die Analyse der gesammelten Daten erfolgt nun in den kommenden Wochen, doch schon bei der Datenaufzeichnung konnten interessante Bodenstrukturen wie zum Beispiel Baggerspuren in den Daten erkannt werden. Nach einer sehr erfolgreichen und lehrreichen Woche wurde die „Ludwig Prandtl“ wieder dem Helmholtz- Zentrum Geesthacht übergeben.

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An dieser Stelle möchten wir uns ganz herzlich für die unkomplizierte Zusammenarbeit und die Zurverfügungstellung der „Ludwig Prandtl“ bedanken!

(Text und Fotos: Studenten der HCU Hamburg)