Forschungsschwerpunkte & Projekte
Forschungsschwerpunkte
- Fernerkundungsverfahren
- Bestimmung optischer Eigenschaften
von Küstengewässern - Entwicklung von optischen
Messverfahren
Der Satellit Envisat in der Erdumlaufbahn. -Bild: ESA-
Die Farbe des Wassers, d.h. spektrale Reflektanz, wird maßgeblich von den Wasserinhaltsstoffen bestimmt. Abbildende Spektrometer an Bord von Satelliten messen diese Ozeanfarbe (Ocean Colour) aus dem All. In der Arbeitsgruppe Optische Ozeanographie werden Verfahren entwickelt, um biogeochemische und optische Eigenschaften des Wassers aus solchen Fernerkundungsdaten abzuleiten.
Ein Schwerpunkt liegt dabei auf Küstengewässern, die optisch sehr komplex und mehrdeutig sind; neben dem Wasser und Phytoplankton gibt es außerdem noch Schwebstoffe und gelöste Farbstoffe, die vor allem aus Flüssen ins Meer eingetragen werden.
Satellitenbild von Wasserstrukturen in der Nordsee. -Bild: Hereon-
Darüber hinaus beeinflusst die Atmosphäre das Farbsignal des Ozeans stark. Für die Satellitendatenauswertung kommen Künstliche Neuronale Netzwerke und andere Verfahren des Maschinellen Lernens zum Einsatz. Globale Satellitendaten werden nutzbar gemacht und zu Zeitreihen zusammengefügt. Anhand von Langzeitbeobachtungsdaten können räumliche und zeitliche Muster und Veränderungen von verschiedenen Algenblüten und biogeochemischen Parametern erkannt werden.
Eine Messplattform (sog. Kranzwasserschöpfer) mit optischen und anderen Messinstrumenten wird ins Wasser abgelassen. -Bild: Hereon-
Die Art und Weise, in der Licht im Wasser absorbiert und gestreut wird, verrät viel über die Art und Menge der im Wasser befindlichen Stoffe. Insbesondere gelöste organische Substanzen (Gelbstoffe) und die verschiedenen Pigmente einzelliger Algen (Phytoplankton) haben einen Einfluss. Die Abteilung Optische Ozeanographie untersucht die optischen Eigenschaften vor allem in Küstengewässern, aber auch in Binnengewässer und Ozeanen. Dazu wird die Absorption und Streuung sowie die Gesamtabschwächung des Lichts im Wasser gemessen.
So können die Konzentrationen von bestimmten Wasserinhaltsstoffen bestimmt werden. Damit lassen sich Aussagen zur Wasserqualität machen. Indem man die Werte zur Wasserqualität in theoretische Ozean- und Klimamodelle einfließen lässt, kann man diese überprüfen und verbessern.
Ein optischer Messaufbau im Labor zur Bestimmung der Lichtstreuung an Partikeln im Wasser. -Bild: Hereon-
Ein weiterer Schwerpunkt der Abteilung Optische Ozeanographie ist die Entwicklung und Optimierung von optischen Messmethoden und -instrumenten.
So arbeitet die Abteilung derzeitig an hochgenauen Geräten, mit denen die Lichtabsorption durch Partikel im Wasser gemessen werden kann (PSICAM).
Zudem werden Instrumente entwickelt, die die Streuung des Lichts im Wasser messen.
Mit den gemessenen Werten der Absorption und Streuung lassen sich Rückschlüsse auf die Inhaltsstoffe des Wassers ziehen, z.B. auf die Art von Algen im Wasser.
Mehr Informationen finden Sie hier: Die Bestimmung von Phytoplanktongruppen durch Fernerkundung in Küstengewässern (Artikel auf ESKP)
Projekte
AquaINFRA
Das AquaINFRA-Projekt wurde von der Europäischen Kommission im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms " Horizon Europe" (2023-2026) gefördert. Das Projekt hat die Entwicklung einer virtuellen Daten-Infrastruktur zum Ziel, um aus wissenschaftlicher Sicht, ozeanographische und limnologische Themen besser vernetzen zu können, sowie diverse Interessenvertreter bei der Erhaltung gesunder Ozeane, Meere, Küsten- und Binnengewässer zu unterstützen. Die interdisziplinären Forschungsdaten sollen dabei FAIR sein – Findable (Auffindbar), Accessible (Zugänglich), Interoperable (Interoperabel) und Reusable (Wiederverwendbar). Die virtuelle AquaINFRA-Umgebung wird es den Zielakteuren ermöglichen, Forschungsdaten und andere digitale Forschungsobjekte aus ihrer eigenen Disziplin zu speichern, gemeinsam zu nutzen, darauf zuzugreifen, sie zu analysieren und weiterzuverarbeiten. Hierfür werden die European Open Science Cloud (EOSC) und andere bestehende operative Datenräume genutzt. Neben der Unterstützung der laufenden Entwicklung der EOSC als übergreifende Forschungsinfrastruktur befasst sich AquaINFRA mit der spezifischen Notwendigkeit, Forschenden aus dem Meeres- und Süßwasserbereich die Möglichkeit zu geben, über diese beiden Bereiche hinweg zu arbeiten und zusammenzuarbeiten.
Dies ist eine KCO-Kooperation mit dem Helmholtz Coastal Data Center (HCDC).
Für weitere Informationen besuchen Sie bitte: aquainfra
PhytoDive
Mit Hilfe von Satelliten-Erdbeobachtungsdaten der Ocean Colour wird die Diversität von Phytoplankton und deren Produktivität untersucht. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf globalen Seegebieten und dem Übergang von offenem Ozean, den Schelfbereichen bis hin zu den Küsten, sowie den Randmeeren. Wichtige Phytoplankton-Gruppen, von denen einige Arten in Harmful Algae Blooms auftreten können, sollen lokal identifiziert und raumzeitlich beobachtet werden. Mit Hilfe von operationellen und klimatologischen Ocean Colour Daten sollen Anomalien und Veränderungen von Blüten und Spezies-Zusammensetzung untersucht werden. Abhängig von den Phytoplankton-Gruppen und regionalen Gegebenheiten sollen wichtige Kenngrößen für Klimastudien wie der Primärproduktion des Phytoplanktons und dem assoziierten Kohlenstoffkreislauf abgeschätzt werden.
Ocean Colour_CCI
Die ESA-Initiative zur Untersuchung des Klimawandels (Climate Change Initiative CCI) hat es sich zum Ziel gemacht, aus diversen Erdbeobachtungsdaten konsistente Langzeitserien von grundlegenden Klima-Parametern (Essential Climate Variables ECVs) zu erstellen. Das OC-CCI Projekt bezieht sich auf Ocean Colour, wobei globale Zeitreihen von der spektralen Reflektanz, der Chlorophyll-Konzentration und optischen Eigenschaften der Gewässer auf Grundlage von europäischen und amerikanischen Satellitendaten erstellt werden. Die Arbeitsgruppe am Hereon ist bereits seit 2010 in dem Projekt involviert.
Weitere Informationen finden Sie auf der Homepage von OC_CCI.
Abgeschlossene Projekte
EnMAP
Die deutsche Satellitenmission EnMAP (Environmental Mapping and Analysis Program) beobachtet die Erdoberfläche hyperspektral im sichtbaren und infraroten Spektralbereich. Aus der Analyse der aufgezeichneten Daten lassen u.a. Aussagen über den Zustand von Seen, Küsten und Meeresgebieten treffen sowie deren Veränderungen erkennen. Zur wissenschaftliche Vorbereitung der EnMAP-Mission wurden unter anderem neue Methoden für die Auswertung von Hyperspektraldaten entwickelt. Die Abteilung Optische Ozeanographie war maßgeblich für die Vorbereitung und Entwicklung der Mess-, Aufzeichnungs- und Auswertungsverfahren für Küsten- und Binnengewässer verantwortlich.
Weitere Informationen finden Sie auf der Homepage von EnMAP.
MyOcean II
„MyOcean II“ war ein durch die Europäische Union gefördertes Projekt, welches bis September 2014 lief. Hauptziel war der Betrieb eines Beobachtungs- und Vorhersagesystems für Meeresgewässer. Die Nutzer kamen und kommen aus den Bereichen Sicherheit im Seeverkehr, Meeresressourcen, Meeres-und Küstenumweltschutz sowie Klima- und Wettervorhersage.
Im Rahmen von MyOcean II wurden Daten durch zwei optische Messinstrumente (MODIS und VIIRS) an Bord eines Satelliten aufgezeichnet. Die Abteilung Optische Ozeanographie ist verantwortlich für die Entwicklung eines regionalen, für die Ostsee angepassten mathematischen Verfahrens zur Auswertung dieser aufgezeichneten Satellitendaten.
Weitere Informationen finden Sie auf der Homepage von Copernicus.
coastcolour
Der Erdbeobachtungssatellit ENVISAT hat umfangreiche Daten über die Küstenzonen gewonnen. Dabei kam unter anderem das Messinstrument MERIS zum Einsatz. Im Jahr 2012 musste ENVISAT von der Europäischen Weltraumagentur ESA leider aufgegeben werden, nachdem der Satellit nicht mehr auf Befehle reagierte.
Die ESA hat das Projekt "coastcolour" gestartet, um die gewonnenen Daten weiter zu analysieren und auszuwerten. Damit soll deren Potenzial voll ausgeschöpft werden. Alle Daten von MERIS sollen auf der coastcolour-Webseite online zur Verfügung gestellt werden.
Im Projekt werden zudem verschiedene, global anwendbare mathematische Auswertungsverfahren von Daten für Küstengewässer entwickelt, überprüft und verglichen.
Die Abteilung Optische Ozeanographie leitet die wissenschaftliche Arbeiten zur Entwicklung und regionale Anpassung dieser Auswertungsverfahren.
Weitere Informationen finden Sie auf der Homepage von coastcolour.
WIMO
Aufgrund des globalen Klimawandels sind verschiedene Auswirkungen zu beobachten: Temperaturanstieg, eine Veränderung der Meeresfauna, gefährliche Planktonblüten, ein Rückgang der Fischbestände oder Veränderungen der Küstenbeschaffenheit in der Nordsee. Auch die zunehmende Nutzung durch Schiffsverkehr und Offshore-Industrie haben weitreichende Folgen für das Ökosystem nach sich gezogen.
Um die Nutzung der Deutschen Bucht nachhaltig zu gestalten, wurde der Projektverbund WIMO (Wissenschaftliche Monitoringkonzepte für die Deutsche Bucht) ins Leben gerufen. Seine Aufgabe ist die Bestandsaufnahme des jetzigen Zustands der Deutschen Bucht.
Dazu identifiziert WIMO zunächst die maßgeblichen Messgrößen sowie deren Wechselwirkungen, um den Umweltzustand überhaupt beschreiben zu können. Es folgt die regelmäßige und genaue Beobachtung des Zustands der Deutschen Bucht.
Über diesen Zustand und die Qualitätsentwicklung der deutschen Meeresgebiete wird berichtet. Außerdem werden Entscheidungsträger wissenschaftlich fundiert beraten.
Zur Information der Öffentlichkeit werden Konzepte zur allgemeinverständlichen Informationsdarstellung entwickelt.
Das Helmholtz-Zentrum Hereon war mit mehreren Abteilungen an WIMO beteiligt.
Die Abteilung Optische Ozeanographie entwickelt für WIMO ein sog. WebGIS. Dieses wird ermöglichen, Daten von verschiedenen Messinstrumenten in unterschiedlichen Datenformaten, welche zudem verteilt auf diversen Internetservern liegen, zusammengefasst und verknüpft in einem Computerprogramm zu betrachten.
COSYNA
COSYNA (Coastal Observing System for Northern and Arctic Seas) wird von der Abteilung 'Neue Technologien' des Instituts für Küstenforschung am Helmholtz-Zentrum Hereon geleitet.
Die Abteilung Optische Ozeanographie bringt Daten aus Satellitenmessungen in COSYNA ein. Dazu müssen Auswertungs- und Darstellungsverfahren für diese Daten an die Erfordernisse von COSYNA angepasst werden. Außerdem werden die aus den Satellitendaten gewonnenen Ergebnisse überprüft, in dem sie mit Vor-Ort-Messungen verglichen werden.
Weitere Informationen finden Sie auf der Projektseite von COSYNA.
MaNIDA
MaNIDA (Marine Network for Integrated Data Access - Marine Netzwerk für integrierten Datenzugriff) ist eine Initiative des Helmholtz-Zentrums Hereon zur Entwicklung und Einrichtung eines gemeinsamen Datenportals für die gesamte deutsche Meeresforschung.
Beteiligt sind mehrere von Helmholtz-Zentren, Universitäten und anderen Institute. Die Federführung im Hereon liegt bei der Abteilung "Produktivität der Küsten".
Weitere Informationen finden Sie auf der Homepage von MaNIDA.
OC-BPC
Die EUMETSAT Studie „Ocean Colour Bright Pixel Correction” war von 2018 bis 2019 ein gemeinsames Projekt der Arbeitsgruppe am Hereon mit den französischen Partnern SOLVO und HYGEOS. Ziel war die Verbesserung der operationellen Atmosphärenkorrektur von Sentinel-3 OLCI Daten speziell für stark streuende – sehr helle – Küstengewässer.
C2X
Das Forschungsprojekt „Extreme Case-2 Waters“ C2X wurde von der ESA gefördert. Ziel war die Untersuchung und Verbesserung von Algorithmen für die Atmosphärenkorrektur und zur Ableitung von Wasserinhaltsstoffen in stark absorbierenden oder streuenden Gewässern. Diese sogenannten „Case-2“ Gewässer sind vor allem Küsten- oder Binnengewässer und gekennzeichnet durch besonders hohe Konzentrationen von Schwebstoffen oder Gelbstoff.