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Forschung & Projekte

Langzeitbeobachtungen des Marinen Ökosystems
Die vom Helmholtz-Zentrum Hereon betriebenen FerryBox-Systeme. -Bild: Wilhelm Petersen/Hereon-

Die vom Helmholtz-Zentrum Hereon betriebenen FerryBox-Systeme. -Bild: Wilhelm Petersen/Hereon-

Das Verständniss der Prozesse in der Meeresumwelt beruht weitestgehend auf Beobachtungen von zeitlich begrenzten einzelnen Messkampagnen (z. B. Forschungsreisen) oder ist auf Zeitreihen an einer festen Position wie z. B. Bojen beschränkt. Eine umfassendere Erforschung und Analyse mariner biogeochemischer Prozesse ist nur möglich, wenn Szenarien (z.B. Extremereignisse oder klimainduzierte Veränderungen) durch Beobachtungen auf Forschungsschiffen- sowie mit automatisierten Messsystemen auf kommerziellen Schiffen , Fernerkundungsmessungen (Radar, Satellit) und festen Stationen (Bojen, Messpfähle) im marinen Ökosystem besser verstanden und prognostiziert werden können.

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Installation einer FerryBox an Bord des Frachtschiffs Hafnia Seaways. -Bild: KC/Hereon-

Die Abteilung Produktivität der Küsten verwendet Daten der FerryBoxen zur Durchführung von Langzeitmessungen der Wasserqualität entlang der gesamten südlichen Nordsee, wobei der Schwerpunkt auf dem Kohlenstoffkreislauf liegt.
Um die Zuverlässigkeit der Messdaten zu gewährleisten, werden die Beobachtungen zunächst einer automatisierten Qualitätskontrolle unterzogen, bevor sie weitestgehend in Echtzeit in eine Datenbank übertragen werden. Für einige Parameter (z.B. gelöster Sauerstoff, Salzgehalt usw.) werden zusätzlich Wasserproben entlang der FerryBox- Routen gesammelt, im Labor analysiert und dann zur weiteren Qualitätskontrolle mit den FerryBox-Messungen verglichen.
Statistische Methoden wie Zeitreihenanalyse werden in Kombination mit numerischen Modellen (einschließlich Ökosystemmodellen) auf die Langzeitbeobachtungen angewendet, um saisonale und regionale Muster in der Nordsee zu untersuchen.

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Zeitserie von pCO2. Messungen entlang des Transsekts von Halden (NO) nach Zeebrügge (BE). -Bild: http://ferrydata.hereon.de / Hereon-

Darüber hinaus kann ein Vergleich der FerryBox- Daten mit Satellitendaten genutzt werden, um größere räumliche Variationen bestimmter Variablen wie Chlorophyll-a zu verstehen.
Nur durch eine kontinuierliche Überwachung mariner Prozesse über viele Jahre können so subtile Veränderungen in den Küstengewässern aufgeklärt und bewertet werden. Darüber hinaus können diese räumlich und zeitlich hochaufgelösten Langzeitbeobachtungen die Hintergrundinformationen liefern, um die Auswirkungen verschiedener Szenarien (z. B. Extremereignisse oder klimainduzierte Veränderungen) in marinen Ökosystemen im Detail zu untersuchen.

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(a) Kontinuierlich gemessene pCO2 während der Überfahrten im Skagerrak im Herbst 2016. Rot: ICOS Messnetz (pCO2 Messungen min einem showerhead equilibrator system); Schwarz & blau: FerryBox Messungen (pCO2 Messungen mit einem Membransystem). Blau wurde verwendet, um die Überfahrten mit den höchsten pCO2-Werten zu kennzeichnen (b) Karte der verwendeten Transekte (c) Sauerstoffsättigung und (d) pH-Werte entlang der Transekte (NBS-Skala)
Bild: aus Macovei et al. (2021a) KCP / Hereon-

Der Betrieb von FerryBoxen auf Handelsschiffen ermöglicht die Beobachtung von Veränderungen in Oberflächengewässern auf verschiedenen Zeitskalen: z. B. saisonale und jährliche Veränderungen von Salzgehalt, Temperatur, gelöstem Sauerstoff, pH-Wert und Algen. Auch regionale Charakteristika wie Lokation und Eigenschaften von Wassermassen können so ermittelt werden. In einer Studie im Skagerrak zwischen Dänemark und Norwegen wurden die von der FerryBox gemessenen Kohlendioxid Konzentrationen (pCO2, schwarz) mit den pCO2 Daten des ICOS-Netzes (Integrated Carbon Observation System, rot) verglichen. Die Studie ergab bei zeitgleichen Messungen am selben Ort übereinstimmende Ergebnisse (Mitte September und Ende Oktober 2016). Als jedoch das Schiff mit der FerryBox an Bord auf einer etwas östlicheren Route fuhr (blau), erfasste es eine Wassermasse mit einer deutlich anderen chemischen Signatur (höherer pCO2-Wert, geringerer Sauerstoffgehalt und niedrigerem pH), was unterstreicht, wie dynamisch die Meeresumwelt der Küste sein kann.

Siehe auch Macovei et al. (2021)

Kohlenstoffkreislauf
Extremereignisse
Entwicklung neuer Messinstrumente

Projekte

Logo Carbostore

CARBOSTORE
Carbon Storage in German Coastal Seas – Stability, Vulnerability and Perspectives for Manageability
CARBOSTORE (Carbon Storage in German Coastal Seas – Stability, Vulnerability and Perspectives for Manageability) ist ein vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördertes Verbundprojekt im Forschungsprogramm „MARE:N – Küsten-, Meeres- und Polarforschung für Nachhaltigkeit“ unter dem Dach des Forschungsrahmenprogramms „Forschung für Nachhaltige Entwicklung“ (FONA).

Bezugnehmend auf die Ausschreibung des BMBF vom 26. Juli 2019 widmet sich CARBOSTORE im Besonderen der “Analyse von Wechselwirkungen physikalisch bedingter und biogeochemischer Kreisläufe (insbesondere CO2-Aufnahme/biologische Pumpe) unter dem kombinierten Einfluss des globalen Wandels und weiterer unmittelbar anthropogener Einflussfaktoren”. Dieser Frage wird für die beiden Randmeere Nordsee und Ostsee nachgegangen, deren Küstenverlauf zu Teilen durch deutsches Hoheitsgebiet führt.

Hauptziel von CARBOSTORE ist die Untersuchung der Stabilität und Verwundbarkeit verschiedener Kohlenstoffspeicher in den deutschen Nebenmeeren Nord- und Ostsee. Hierfür wird geprüft, ob und in welchem Maß Prozesse, die für die Kohlenstoffspeicherung verantwortlich sind, beeinflusst sind oder werden. Aufbauend auf diesen Untersuchungen der Verwundbarkeit, und unter Berücksichtigung relevanter gesetzlicher sowie sozio-ökonomischer Rahmenbedingungen, werden Perspektiven entwickelt, die die gezielte Erhöhung der Kohlenstoffspeicherung in Nord- und Ostsee, d.h., netto negative CO2-Emissionen, zum Ziel haben.


Weitere Informationen finden Sie auf der Website von CARBOSTORE.

Sea_ReCap DeploymentUnderwater

SEA-ReCap
(Research Capacity Building for healthy, productive and resilient Seas)

SEA-ReCap is a Helmholtz Association European Partnering project, which started in November, 2021. This project aims to further develop and strengthen the partnership between the Helmholtz-Zentrum Hereon in Germany and the Institute of Oceanology (IO-BAS) in Bulgaria, and supports the current and upcoming joint research and development activities. The western Black Sea and the North Sea are the two focus regions of the Helmholtz Partnership between Herepn and IO-BAS. The long-term objective of SEA-ReCap is to support the implementation of the Strategic Research and Innovation Agenda for the Black Sea (SRIA), and in particular the Knowledge-bridge pillar “Addressing f undamental Black Sea research challenges”. Together with HGF POF IV Topic 4 activities, this partnership will strengthen the capacity of IO-BAS with regards to new automated observation systems, implementation of novel modelling tools, integration of observational data and modelling results into scenario models, and applying those to joint research projects. SEA-ReCap’s approach is based on the analysis of existing data and knowledge, and interdisciplinary field campaigns and programs, which will employ novel measuring technologies, combined with the application of existing and novel coupled ocean models. Furthermore, the developed integrative and interdisciplinary framework will address the major challenges identified in both POF IV Topic 4 and the Black Sea SRIA.

SEA-ReCap work focusses on:
- Joint development of platforms and methods for integrated observations, predictive modelling tools, and novel system-analysis: contribution to joint development of the Ocean Observing and Modelling Systems;
- Establishment of science-based information streams and packages for different plausible and desirable future states of the two coastal-ocean systems: contribution to the knowledge base for evidence-based policymaking for sustainable use coastal marine ecosystems;
- Joint development of the ESFRI research infrastructure DANUBIUS-RI (The International Centre of Advanced Studies on River Sea Systems).

DANUBIUS-RI logo

DANUBIUS-IP project

DANUBIUS-IP
(DANUBIUS-RI Implementation Phase)

Am 1. Oktober 2022 begann die Umsetzungsphase für DANUBIUS-RI. DANUBIUS-RI ist eine pan-europäisch verteilte Forschungsinfrastruktur (RI = Research Infrastructure), die integrierte Untersuchungen von Flüssen und ihren Einzugsgebieten, Übergangsgewässern, wie Ästuaren, Deltas und Lagunen sowie ihrer angrenzenden Küstenmeere ermöglicht.

DANUBIUS-RI betrachtet Fluss-Meer Systeme als sozio-ökologische Systeme, in denen natürliche Prozesse und menschliche Aktivitäten eng miteinander verwoben sind. Die Forschungsinfrastruktur wählt deshalb einen integrierten, interdisziplinären und partizipativen Ansatz, um das Prozess- und Systemverständnis zu verbessern und ein nachhaltiges Management von Fluss-Meer Systemen zu ermöglichen.

Detaillierte Informationen zu dem pan-europäischen Projekt finden Sie auf der DANUBIUS-RI Website mehr

Jerico_NEXT Logo

JERICO-NEXT
(Joint European Research Infrastructure network for Coastal Observatory – Novel European eXpertise for coastal observaTories)

The coastal area is the most productive and dynamic environment of the world ocean with significant resources and services for mankind. JERICO-NEXT (33 organizations from 15 countries) emphasizes that the complexity of the coastal ocean cannot be well understood if interconnection between physics, biogeochemistry and biology is not guaranteed. Such an integration requires new technological developments allowing continuous monitoring of a larger set of parameters. In the continuity of JERICO (FP7), the objective of JERICO-NEXT consists in strengthening and enlarging a solid and transparent European network in providing operational services for the timely, continuous and sustainable delivery of high quality environmental data and information products related to marine environment in European coastal seas.

The main objectives of JERICO-NEXT are to support European coastal research communities, enable free and open access to data, enhance the readiness of new observing platform networks by increasing the performance of sensors, showcase of the adequacy of the so-developed observing technologies and strategies, and to propose a medium-term roadmap for coastal observatories through a permanent dialogue with stakeholders. JERICO-NEXT is based on a set of technological and methodological innovations. One main innovation potential is to provide a simple access to a large set of validated crucial information to understand the global change in coastal areas.

Furthermore, JERICO-NEXT provides coordinated ‘free of charge’ trans-national access to researchers or research teams from academy and industry to original coastal infrastructures operated by the projects consortium. This access opportunity is expected to help building long-term collaborations between users and to promote innovation and transfer of know-how in the coastal marine sector. Within this approach Hereon offers different research platforms including FerryBoxes, Gliders and cabled observatories (in cooperating with the Alfred Wegner Institute (AWI)).


Further information can be found on the JERICOnext website.

NeXos-Logo_

NeXOS
(Web-fähige Sensoren der nächsten Generation zur Überwachung eines sich verändernden Ozeans)

Das NeXOS-Projekt zielte darauf ab, die zeitliche und räumliche Abdeckung, Auflösung und Qualität von Meeresbeobachtungen durch die Entwicklung kosteneffizienter innovativer und interoperabler In-situ-Sensoren zu verbessern, die von mehreren Plattformen aus eingesetzt werden können.
Dies wurde durch die Entwicklung neuer, kostengünstiger, kompakter und integrierter Sensoren mit mehreren Funktionen erreicht, einschließlich der Messung von Schlüsselparametern, die für eine Reihe von Zielen nützlich sind, von einer genaueren Überwachung und Modellierung der Meeresumwelt bis hin zu einer verbesserten Bewertung der Fischerei.
Diese Sensoren basieren auf optischen und akustischen Technologien und beziehen sich auf einen Großteil der Deskriptoren, die in der Meeresstrategie-Rahmenrichtlinie für einen guten Umweltzustand aufgeführt sind. Alle neuen Sensoren reagieren auf Multiplattform-Integration, Sensor- und Dateninteroperabilität, Qualitätssicherungs- und Zuverlässigkeitsanforderungen. Die Sensoren wurden kalibriert, auf verschiedenen Arten von Plattformen integriert, wissenschaftlich validiert und demonstriert.

Im Rahmen von NeXOS hat die Abteilung für Globale Küste einen Hyper-Spektralabsorptions-Sensor (HyAbS) entwickelt, der für einen automatisierten Betrieb in Durchflusssystemen wie der FerryBox optimiert wurde und Proxies von Phytoplankton-Biomasse, suspendierten Partikeln in der Wassersäule und Zusammensetzung von Phytoplanktonarten liefert. Darüber hinaus wird ein Sensor zur Messung von Parametern des Kohlenstoffkreislaufs (pH, Alkalinität und CO2) in Zusammenarbeit mit Norwegen weiter optimiert
Partner.

Weitere Informationen finden Sie auf der NeXOS-Website.

EnviGuard-Logo_

EnviGuard ist eine Antwort auf den wachsenden Bedarf an genauer Echtzeitüberwachung der Ozeane. Zudem benötigt die Aquakulturindustrie ein zuverlässiges und kosteneffektives Risikomanagement-Tool. Die Implementierung des EnviGuard-Systems ermöglicht die frühzeitige Erkennung schädlicher Algenblüten (HAB), chemischer Kontaminanten, Viren und Toxine und verhindert damit wirtschaftliche Verluste. Das modulare EnviGuard-System besteht aus drei verschiedenen Sensormodulen (Mikroalgen / Krankheitserreger, d. H. Viren und Bakterien / Toxine und Chemikalien), die an die gemeinsame Schnittstelle "EnviGuard Port" angeschlossen sind, die die Informationen sammelt und an einen Server sendet. Die Daten werden in Echtzeit über eine Website zugänglich sein. Die im Projekt entwickelten Biosensoren gehen weit über den aktuellen Stand der Technik in Bezug auf Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Einfachheit hinaus, indem sie Innovationen aus der Nanotechnologie und der Molekularbiologie kombinieren, die zur Entwicklung modernster Sensortechnologie führen.

Im Rahmen des EU-Projektes EnviGuard entwickelt das Alfred-Wegner-Institut (AWI) einen Biosensor zum Nachweis verschiedener Phytoplanktonarten für den Einsatz in FerryBox-Systemen weiter. Der Biosensor wird automatisierte Probenahme und Probenverarbeitung umfassen. Die Abteilung Globale Küste trägt zur Entwicklung dieses Biosensors bei, indem er den Sensor für die autonome Verwendung in Verbindung mit FerryBox-Systemen und Echtzeitdatenübertragung testet und optimiert.


Weitere Informationen finden Sie auf der Website EnviGuard.

Bilaterales Projekt China - Deutschland:
Kostengünstige Überwachung der Wasserqualität im nördlichen Gelben Meer


Die Umwelt im Gelben Meer zwischen China und der koreanischen Halbinsel wurde in den letzten Jahrzehnten dramatisch beeinträchtigt. Diese Umweltveränderungen sollen nun kontinuierlich beobachtet werden. Zu diesem Zweck wurde das Projekt "Wirtschaftliche Methoden zur Beobachtung der Wasserqualität im nördlichen Gelben Meer" gegründet und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.

Die Abteilung für In Situ Messsysteme verfügt mit ihrem FerryBox-System über ein automatisiertes, ökonomisches Messsystem für die großflächige Beobachtung.
Zusammen mit dem Institut für Küstenforschung in Yantai, China, demonstriert eine Fährlinie in der Bohai-Bucht die Anwendbarkeit der FerryBox zur Beobachtung der Wasserqualität im Gelben Meer.

Chinesische Wissenschaftler besuchen das Hereon zum Austausch von Wissen und zum Training der FerryBox, während die Abteilung für In Situ Messsysteme mit Hilfe einer tragbaren FerryBox zu verschiedenen Jahreszeiten verschiedene Messkampagnen an Bord einer Fähre in der Bohai Bay durchführt.

Ziel ist es, mit Hilfe von FerryBoxen und anderen Beobachtungsmethoden im Gelben Meer wirtschaftliche und kontinuierliche großräumige Wasserqualitätsbeobachtungen zu etablieren.