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(Quelle: demamiel62/Shutterstock.com)

Das Projekt Southern Ocean Carbon and Climate Observations and Modeling (SOCCOM) hat sich zum Ziel gesetzt, das wissenschaftliche und öffentliche Bewusstsein über die Rolle des riesigen Südpolarmeeres für den Klimawandel und die Biogeochemie zu verändern. Der Südliche Ozean besteht aus den südlichsten Gewässern des Weltozeans. Er erstreckt sich im Allgemeinen südlich von 60° südlicher Breite und umschließt die Antarktis. Wichtige und einzigartige Phänomene treten im und um den Südlichen Ozean auf. Zu den wichtigsten zählen:

• Der Südliche Ozean ist für etwa die Hälfte der anthropogenen Kohlendioxidaufnahme und den Großteil der ozeanischen anthropogenen Wärmeaufnahme verantwortlich, obwohl er nur etwa 30 Prozent der Ozeanfläche der Erde ausmacht. 
• Modelle deuten darauf hin, dass der Auftrieb im Südlichen Ozean Nährstoffe in die Oberflächengewässer der niedrigeren Breiten liefert, die für die Ökosysteme der Ozeane weltweit wichtig sind. 
• Die Auswirkungen der Ozeanversauerung durch steigenden CO₂ -Gehalt werden voraussichtlich im Südlichen Ozean am stärksten sein, wobei die Kipppunkte der Ökosysteme in wenigen Jahrzehnten erreicht werden.

Aufgrund seiner Abgeschiedenheit wird eine große Anzahl hochentwickelter robotischer Sensor-Arrays benötigt, um das Südpolarmeer zu untersuchen. SOCCOM, das an der Princeton University angesiedelt ist und vom Princeton Environmental Institute verwaltet wird, setzt ein robotergestütztes Beobachtungssystem ein, das aus etwa 200 autonomen Schwimmern ("Floats") besteht. Das robotische Beobachtungssystem ermöglicht eine nahezu kontinuierliche zeitliche und horizontale Abdeckung des gesamten Südlichen Ozeans und eine vertikale Abdeckung bis tief in die Wassersäule hinein (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die autonomen Schwimmer, die im SOCCOM-Projekt eingesetzt werden, ermöglichen eine direkte Verbindung zum Kohlenstoffsystem und sind damit der Schlüssel zum Verständnis des Kohlenstoffkreislaufs im Südlichen Ozean. (Quelle: Maria T Hoffman/Shutterstock.com)

Diese Floats müssen für ihren Betrieb vier wesentliche Anforderungen erfüllen:

• Die Sensor-Suite: Das primäre Ziel von SOCCOM ist es, den Kohlenstoffkreislauf im Südlichen Ozean besser zu verstehen. Neben den Sensoren für Leitfähigkeit, Temperatur und Tiefe verfügen die SOCCOM-Floats auch über Sensoren für gelösten Sauerstoff, pH und Nitrat. Jeder Float ist mit mindestens zweien dieser drei Sensortypen ausgestattet.

• Sensor für gelösten Sauerstoff: Die Menge des gelösten Sauerstoffs ist proportional zur Menge des Kohlenstoffs. Die Messung des gelösten Sauerstoffs ermöglicht Schätzungen des Kohlenstoffgehalts des Wassers.
• : Durch pH-Messungen werden Änderungen der Ozeanversauerung überwacht, da gelöstes Kohlendioxid mit Wasser unter Bildung von Kohlensäure reagiert. 
• : Nitrat ist ein wichtiger limitierender Nährstoff für Phytoplankton. Der Nitratgehalt kann die Biomassegrenzen des Phytoplanktons bestimmen.

• Die Sensorausgänge werden in Mol pro Masse Meerwasser umgerechnet und ermöglichen so die quantitative Analyse, die für das Verständnis langfristiger Veränderungen und Trends erforderlich ist. Mehrere Sensoren sorgen für Redundanz und eine Gegenkontrolle der Datenqualität.

• Einige Floats verfügen über bio-optische Sensoren für Chlorophyll-Fluoreszenz, Rückstreuung, Lichtdurchlässigkeit oder Lichtintensität. Wenn neue Sensoren verfügbar werden, kann sich die Anordnung der Kern-Sensorsuite ändern. Dennoch müssen neue Sensoren zunächst beweisen, dass sie in großen Arrays, wie z.B. SOCCOM, über mehrere Jahre betrieben werden können. Außerdem müssen alle verwendeten Sensoren im Feld kalibriert werden, um konsistente und zuverlässige Daten zu gewährleisten.

• Floats sind nicht nur hilfreich, um große, langfristige Trends zu erkennen: So konnten beispielsweise mit Hilfe von Test-Floats massive Phytoplanktonblüten weit entfernt von typischen Nährstoffquellen wie schmelzendem Meereis entdeckt werden. Es ist möglich, dass ein hydrothermaler Schlot im Meeresboden des Südpolarmeers die Nährstoffe lieferte. Auch kurzfristige Ereignisse werden beobachtet, darunter der Sauerstoffverlust nach einem Wirbelsturm oder die Einbringung von Nährstoffen in bis zu 1000 Meter Tiefe, die von spätwinterlichen Einbrüchen des Oberflächenwassers herrühren. 
• Betriebsdauer: SOCCOM-Floats müssen eine Betriebsdauer von mindestens drei Jahren erreichen 
• Float-Daten: SOCCOM-Float-Daten müssen in digitaler Form in Echtzeit verfügbar sein.

Fazit

SOCCOM liefert die Beobachtungsdaten, die benötigt werden, um eine neue Generation von hochauflösenden Erdsystemmodellen zu analysieren und zu verbessern. Dadurch wird das Verständnis der aktuellen Funktionsweise des Südlichen Ozeans vertieft und es können bessere Vorhersagen über die zukünftige Entwicklung des Klimas und der Biogeochemie der Erde getroffen werden.