Die Nordsee verstehen

Messdaten von Sedimenten, Wasser und der Atmosphäre fließen in das Portal coastMap ein (Foto: Dirk Hellriegel)

Die Küstenforschung ist eine Herausforderung, weil das Meer immer ein wenig unzugänglich ist. Um Proben aus den Meeren und Küsten zu gewinnen, muss man viel Aufwand treiben. Man muss mit dem Schiff hinausfahren, mit dem Kran oder der Seilwinde Messgeräte zu Wasser lassen, um Bodenproben zu nehmen oder die Eigenschaften des Wassers in verschiedenen Tiefen zu messen. Trotz aller Mühen liefern solche Messfahrten stets nur stichprobenartige Erkenntnisse – Messwerte von einzelnen, winzigen Punkten im weiten Küstenmeer. Will man aber wissen, wie es dem Küstenmeer insgesamt geht, wie stark es zum Beispiel durch Schadstoffe oder überschüssige Nährstoffe aus der Landwirtschaft belastet ist, dann braucht man einen Überblick über das große Ganze. Den aber können Daten, die man an wenigen Messpunkten im Meer gewinnt, kaum liefern.

Um künftig einen Gesamteindruck von der ganzen deutschen Nordsee zu erhalten, wurde am Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) in den vergangenen Jahren das Internetportal coastMap entwickelt, das aus herkömmlichen Messdaten deutlich mehr herausholt als bisher möglich: Die Daten von den Forschungsfahrten werden von Experten in Rechenmodelle eingespeist, mit denen sich die Situation in der ganzen Nordsee simulieren lässt. Die Modelle schätzen mithilfe der punktuellen Messwerte aus dem Meer den Zustand der gesamten Nordsee ab.

Mehr als Tausend verschiedene Messgrößen

Punktuelle Messwerte werden mit Modelldaten kombiniert (Screenshot coastMap)

Das Portal ist nicht zuletzt deshalb besonders attraktiv, weil die Daten nicht nur als Zahlenwerte bereitgestellt, sondern zugleich auch übersichtlich in Form von digitalen Karten dargestellt werden können. Auch die Ergebnisse der Rechenmodelle lassen sich abbilden und weiterverarbeiten. Alles in allem kann man in coastMap nach mehr als 1000 verschiedenen Messgrößen suchen – der Konzentration von Schadstoffen im Wasser, der Größe von Sand- und Schlickteilchen am Meeresboden oder der Konzentration des Pflanzenfarbstoffs Chlorophyll im Wasser, der einen Hinweis auf die Menge des pflanzlichen Planktons gibt. Für geübte Anwender ist vor allem die Benutzeroberfläche für die Analyse von Daten aus den Rechenmodellen interessant, das Modellanalyse-Tool: Verschiedene Karten und Daten lassen sich hinzufügen und übereinanderlegen, um so Zusammenhänge herzustellen. So kann man zum Beispiel Karten zu den Nährstoffen im Wasser mit Chlorophyll-Karten zusammenfügen. Daraus lässt sich unter anderem ableiten, inwieweit die Nährstoffe das Algenwachstum fördern.

„Das Portal richtet sich sowohl an Wissenschaftler als auch an interessierte Laien“, sagt Marcus Lange, der zu den Projektverantwortlichen von coastMap zählt. „Forscher können darin schnell und einfach nach Messwerten suchen, um bestimmte wissenschaftliche Fragestellungen zu beantworten. Lehrer können für ihren Unterricht zum Beispiel Daten zur Verteilung von Schadstoffen in der Nordsee finden und sie im Rahmen von Projekten im Schulunterricht von Schülern weiterverarbeiten lassen.“ Außerdem können die Karten auch Vertretern von Behörden oder Politikern wichtige Informationen an die Hand geben, die Grundlage für politische Entscheidungen sein können.

Verstehen, welche Konsequenzen Eingriffe in den Lebensraum haben

Die Idee zu coastMap hatte vor einigen Jahren Prof. Dr. Kay-Christian Emeis, Leiter des Institutsbereichs „Biogeochemie im Küstenmeer“ am Institut für Küstenforschung des HZG. Er wollte die Ergebnisse eines Forschungsprojektes öffentlich verfügbar machen, in dem die Experten vom Institut für Küstenforschung und ihre Partner aus Wissenschaft und Behörden die verschiedenen Bodentypen in der Nordsee im Detail kartiert hatten. So gibt es in der Nordsee zum Beispiel feste sandige Bereiche, die aus Sand mit großen Körnern bestehen, oder auch schlickige Sedimente mit feinen Partikeln. Diese verschiedenen Sedimenttypen beherbergen unterschiedliche Gemeinschaften von Lebewesen und tauschen mit dem Wasser auf bestimmte Art und Weise chemische Verbindungen oder Nährstoffe aus. Da der Meeresboden in der Nordsee durch die Fischerei, den Bau von Windparks oder die Entnahme von Sand für Strandaufspülungen heute immer intensiver genutzt wird, ist ein vollständiger Überblick über den Meeresboden sehr wichtig. Nicht zuletzt um abschätzen zu können, welche Konsequenzen Fischerei, Windparkbau oder Sandentnahmen für bestimmte Sedimente und das umgebende Meer haben könnten.

Inzwischen ist das Portal um viele andere Messgrößen erweitert worden. Zum Beispiel um den für die Ernährung von Pflanzen besonders wichtigen Parameter Stickstoff. 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.

Algenblüte in der Nordsee (Foto: Sabine Billerbeck)

Die Atmosphäre besteht zu rund 78 Prozent aus Stickstoff. Allerdings können die meisten Pflanzen reinen Stickstoff nicht verwerten. Sie sind darauf angewiesen, dass Bakterien den Luftstickstoff in mehreren Schritten in die Stickstoffverbindung Nitrat umbauen, welches die Pflanzen verwerten können. Nitrat wirkt damit als Dünger – und zwar sowohl für Pflanzen an Land als auch für Algen. Das Problem besteht darin, dass heute mit Fäkalien aus Abwässern und mit überschüssigem Dünger von Äckern sehr viel Nitrat in die Flüsse und damit ins Meer gelangt. Dieser Prozess wird als Überdüngung bezeichnet. Das Nitrat bewirkt ein unnatürlich starkes Algenwachstum. Sterben die Algenmassen ab, sinken sie in die Tiefe und werden dort von Bakterien verarbeitet. 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.

Das Portal erleichtert Forschern die Arbeit

Probe eines kleinen Sedimentkerns (Foto: Andreas Neumann / HZG)

Glücklicherweise kann Nitrat von Mikroorganismen wieder zu reinem Stickstoff abgebaut werden, was der Überdüngung entgegenwirkt. Dieser Prozess wird als Denitrifikation bezeichnet und läuft vor allem im Sediment ab. Der Biologe Dr. Andreas Neumann hat jetzt mithilfe von coastMap genau untersucht, in welchen Sedimenten der Nordsee das Nitrat besonders gut abgebaut wird. „Diese Erkenntnis ist wichtig, weil wir damit einschätzen können, welche Sedimente für die Denitrifikation besonders wichtig sind und vor Maßnahmen wie der Sandentnahme geschützt werden sollten“, sagt Dr. Andreas Neumann. Ohne coastMap wäre seine Arbeit sehr schwierig geworden, weil er für seine Analyse viele verschiedene Messgrößen benötigte: Werte darüber, wie durchlässig das Sediment für Wasser und chemische Substanzen ist, Werte zur Strömungsgeschwindigkeit des Wassers und natürlich auch Werte zur Nitratkonzentration im Meeresboden.

Dr. Andreas Neumann bei der Probennahme mit einem Multicorer (Foto: Markus Ankele / HZG)

Dr. Andreas Neumann war zusammen mit seinen Kollegen mit dem Forschungsschiff unterwegs, um in der Nordsee Proben zu nehmen und zu messen. Doch diese Messarbeit allein reichte nicht aus. Zum einen, weil er nicht alle erforderlichen Messgrößen selbst erfassen konnte, zum anderen, weil man nicht die ganze Nordsee vermessen kann. Dank coastMap konnte er die fehlenden Daten ergänzen. „Das Besondere an coastMap ist, dass hierdurch Messwerte aus verschiedenen Datenbanken und von vielen Forschungsfahrten zusammengeführt wurden, die früher getrennt waren“, sagt Dr. Andreas Neumann. „Früher musste man aus vielen verschiedenen Archiven die entsprechenden Daten zusammensuchen. Jetzt kann ich sie mit wenigen Klicks von einer einzigen Website abrufen.“

Auch die Arbeit seiner Kollegen von der Modellierung war für Dr. Andreas Neumann hilfreich. Auf Basis von Messdaten berechneten sie die Verteilung der Nitrate und die Denitrifikation für die ganze Nordsee. „Doch die Modellierung ist nicht alles“, sagt Dr. Carsten Lemmen, der am Institut für Küstenforschung auf die Modellierung von Ökosystemen spezialisiert ist. „Es kommt auch darauf an, dass sich aus der Unmenge an Daten, die von den Computermodellen produziert wird, die gewünschte Information leicht extrahieren lässt. Vor allem, wenn man mit den Modellen die Entwicklung in der Nordsee über einen längeren Zeitraum betrachtet, werden sehr viele Daten generiert. Für externe Forscherkollegen kann es sehr zeitraubend sein, die relevanten Werte zu finden.“ So benötige man manchmal nur einige wenige Zahlenwerte für ein ganz bestimmtes Datum, die man zunächst aus den Datensätzen herausarbeiten müsse.

Sein Kollege, der Geoinformatiker Dietmar Sauer, der coastMap technisch zum Laufen gebracht hat, ergänzt: „In coastMap haben wir deshalb alle Messdatensätze und Modelldaten so verknüpft, dass man gezielt nach bestimmten Werten für bestimmte Tage oder Zeiträume suchen kann. Die Kollegen, die coastMap nutzen, kommen damit sehr viel schneller ans Ziel.“ Davon profitierte auch Dr. Andreas Neumann, der in relativ kurzer Zeit alle erforderlichen Messgrößen und Werte zusammen hatte, um einschätzen zu können, welche Sedimente beim Nitratabbau eine besondere Rolle spielen. Sein Ergebnis: Besonders wichtig sind die durchlässigen groben Sande entlang der Nordseeküste.

Ein neues Verständnis der Vorgänge im Küstenmeer

Das coastMap Portal bietet die Möglichkeit, gezielt nach Daten zu suchen, diese beliebig miteinander zu verbinden und in einer übersichtlichen Kartendarstellung anzuzeigen. Das kann dazu führen, bislang unentdeckte Zusammenhänge zu erkennen. Welche Messgröße wird wodurch beeinflusst? Wie wirkt sich der Windparkbau auf Strömungen, auf Nährstoffverteilungen, auf das Algenwachstum oder den anschließenden Abbau der Algenmassen aus? Derlei komplexe Korrelationen werden jetzt möglich. Dr. Carsten Lemmen sieht in der Nutzung von coastMap einen weiteren Gewinn nicht nur für Mitarbeiter des Helmholtz-Zentrums Geesthacht, sondern auch für Wissenschaftler anderer Institutionen: „coastMap kann den wissenschaftlichen Austausch unterstützen. Wir sind offen für interessante Forschungsfragen, die die Kollegen einbringen. Besonders interessant wird es, wenn Kollegen aus ganz verschiedenen Disziplinen zusammenkommen.“

Dr. Justus van Beusekom, der sich am Institut für Küstenforschung intensiv mit dem Austausch von Nährstoffen zwischen Wasser, Sediment und Meereslebewesen befasst, betont noch eine weitere Stärke von coastMap. „Dank der Rechenmodelle ist es möglich, in die Zukunft zu blicken und von der heutigen auf die künftige Situation zu schließen.“ Mit den Modelldaten in coastMap lässt sich zum Beispiel ermitteln, wie sich der Nährstoffhaushalt der Nordsee verändert, wenn man den Nitrateintrag über die Flüsse reduziert. Profitiert der Lebensraum Nordsee davon, weil dann seltener Algenblüten und in deren Folge Sauerstoffmangel auftreten? Solche Zukunftsszenarien seien besonders wichtig, weil sie dabei helfen können, die richtigen umweltpolitischen Entscheidungen zu treffen, sagt Dr. Justus van Beusekom. Ist es zum Beispiel sinnvoll, Restriktionen für die Landwirtschaft vorzusehen und die Düngermenge zu reduzieren? Van Beusekom: „Unsere Kolleginnen und Kollegen im Institutsteil ‚Systemanalyse und Modellierung‘ können den Erfolg solcher Maßnahmen mit Modellrechnungen abschätzen.“

Entscheidungshilfe für die Umweltpolitik

Ein guter Zustand der Meeresumwelt soll erreicht werden (Foto: Dirk Hellriegel)

Derartige Entscheidungshilfen sind zum Beispiel wichtig, um Richtlinien zum Schutz des Meeres auszuarbeiten; Richtlinien, wie sie mit der europäischen Meeresstrategie-Rahmenrichtlinie (MSRL) vorgesehen sind. Diese sieht vor, dass bis zum Jahre 2020 in den europäischen Meeren der „gute Zustand der Meeresumwelt“ erreicht sein soll. Einfach ausgedrückt soll es den Meeren dank der MSRL künftig wieder besser gehen. Doch wie dieser gute Umweltzustand im Einzelfall aussieht und welche Maßnahmen man durchführen muss, um diesen zu erreichen, das ist teils noch immer unklar. „Wenn Wissenschaftler mit Modellrechnungen abschätzen können, wie sich eine Umweltmaßnahme auswirkt, ist das eine enorme Hilfe für die Entscheider in der Politik“, sagt Dr. Justus van Beusekom; insbesondere, wenn die Modellrechnungen und Szenarien auf einer Fülle realer Messwerte basieren, wie sie in coastMap zusammengetragen worden sind.

Besonders wichtig für alle diese Daten ist auch, dass sie in einer vergleichbaren Form in das coastMap-System eingepflegt und zu diesem Zweck mit einer Fülle an sogenannten Metadaten versehen werden. Metadaten sind so etwas wie Begleitinformationen, die den Hintergrund zum eigentlichen Messwert enthalten. Das lässt sich mit der Postadresse und dem Absender auf einem Brief vergleichen. Der Brief enthält die eigentliche Botschaft, ohne Empfänger oder Absenderinformation aber ist er nutzlos, weil sich der Brief nicht zuordnen lässt. Zu den Metadaten eines Messwerts gehören Zeit und Ort, der Name des Forschers, aber auch Informationen wie die Wassertiefe, in welcher der Wert genommen wurde. Diese einheitlichen Metadaten sind entscheidend, um Messwerte aus verschiedenen Quellen zusammenzubringen und miteinander vergleichen zu können.

Spannende Geschichten aus der Forschung

Das einzigartige Ökosystem der Nordsee ist ein „Schlaglicht“ Thema (Grafik: Glynn Gorrick)

Ursprünglich war coastMap als Werkzeug von Wissenschaftlern für Wissenschaftler gedacht. Schnell aber wurde klar, dass es auch für die interessierte Öffentlichkeit, Entscheider und Planer an der Küste oder Journalisten interessant sein könnte, da es eine Fundgrube an Wissen über die Nordsee ist. Besonders interessante Ergebnisse aus dem coastMap-Projekt werden deshalb in dem Portal als „Schlaglicht“ erzählt. Der Nutzer findet hier zum Beispiel interessante Fakten darüber, wie sich das empfindliche Wattenmeer besser vor einer Ölkatastrophe bei einer Havarie schützen lässt. Auch die Ausbreitung von Schiffsabgasen wird ausführlich erläutert.

Die coastMap-Experten wollen das Portal künftig immer weiter wachsen lassen, sagt Marcus Lange: „coastMap verfügt inzwischen auch über zahlreiche Daten aus anderen Meeresgebieten als der Nordsee und kann so von Kollegen genutzt werden, die sich mit diesen Meeresgebieten befassen. Selbst für die chinesische Bohai-See haben wir Daten eingepflegt, denn viele Probleme, die wir aus der Nordsee kennen, treten auch andernorts auf.“

(Text: Tim Schröder / Wissenschaftsjournalist)