Die Oberfläche des Meeres ist ein Flickenteppich. Auch wenn der Ozean uns Landlebewesen gleichförmig erscheint, aus Sicht der in ihm lebenden Organismen ist er stark strukturiert und ausgesprochen wandelbar. Strömungen, Turbulenzen und interne Wellen erschaffen und zerstören kurzlebige Zonen blühenden Lebens – sie bestimmen so nicht nur die Bewegungen von Plankton, Fischen und Vögeln, sondern auch das Wohl der Menschen, die vom Meer leben.

Trotz ihrer Bedeutung sind diese als »submesoskalig« bezeichneten Prozesse kaum erforscht. Vom Meeresboden, heißt es, kenne man nur wenige Prozent. Das Gleiche könnte man auch über seine Oberfläche sagen, die zwar offen daliegt, deren innere Dynamik uns aber verborgen ist. Lokale Störungen erzeugen kurzfristig Zonen mit hoher Organismendichte: umgedrehte Inseln, die von der Oberfläche in die Tiefe reichen und Oasen des Lebens im weiten Meer bilden – bis die wechselnde Gunst von Wind und Strömung ihre vorübergehenden Bewohner wieder verstreut.

Kleinräumige Wirbel, die so genannten Eddys, und Fronten zwischen verschiedenen Wassermassen sorgen im Ozean für Action. Sie sind zwischen etwa 100 und einigen tausend Metern groß, entstehen spontan durch das chaotische Verhalten lokaler Strömungen und verschwinden nach ein paar Stunden oder Tagen wieder. Deswegen sind sie sehr schwer zu beobachten. Indizien deuten jedoch darauf hin, dass ihre Bedeutung enorm ist. Ihr Werden und Vergehen spielt sich auf ähnlichen Zeitskalen ab wie das Wachstum des Phytoplanktons, von dem letztendlich fast alles andere Leben im Meer abhängt.

Diese Prozesse stören die sorgsame Schichtung der Wassermassen, die Nährstoffe vom Plankton an der sonnendurchfluteten Oberfläche fernhält, und sorgen so für kleine Regionen blühenden Lebens im offenen Meer. Sie machen den Ozean »patchy«, wie es im Fachjargon heißt – zum Flickenteppich aus unterschiedlichen Zonen mit oft stark abweichenden Eigenschaften.

Wie solche Wirbel und Fronten auf Skalen unterhalb von einigen Kilometern auf das Meer und seine Organismen wirken, ist weitgehend unerforscht. Selbst scheinbar einfache Phänomene bergen offene Fragen. Zum Beispiel, wenn an einer Front Nährstoffe aufsteigen und das Algenwachstum antreiben. Schon bald tauchen dort Kleintiere, Fische und Vögel auf, um vom Nahrungsangebot zu profitieren. »Aber diese lokalen Strukturen entwickeln sich in ganz kurzer Zeit, vielleicht über zwölf Stunden. Wo kommen die Tiere so schnell her? Woher wissen sie das?«, fragt deswegen Burkard Baschek, Leiter des Projekts »Uhrwerk Ozean« des Helmholtz-Zentrums für Material- und Küstenforschung in Geesthacht.

Die Zahnräder des Meeres

Der Name entspricht dem Bild des Meeres, das das Projekt zeichnet: Ein System aus Eddys unterschiedlicher Größe, die ineinandergreifen wie Zahnräder und auf diese Weise das große System Meer antreiben. Doch hinter dem Bild stehen vor allem viele große Fragezeichen. So kann ein Wirbel die Planktonproduktion antreiben, indem er Nährstoffe nach oben transportiert, was in den Tropen die Regel ist. Doch zu jedem Aufstrom gehört auch eine absinkende Wassermasse, und die trägt Plankton von der Oberfläche außer Reichweite des Lichts – was das Wachstum hemmt. Welcher dieser Prozesse im Untersuchungsgebiet Ostsee dominiert, und damit, welchen Effekt mesoskalige Prozesse in der Summe haben – »wir wissen es einfach nicht«, so Baschek.

»Uhrwerk Ozean« soll deshalb diese und andere Fragen beantworten. Bascheks Team hat dazu eine ganze Armada von Fahrzeugen zur Verfügung: Ein Motorsegler jagt im untersuchten Seegebiet vor der dänischen Insel Bornholm mit einer Infrarotkamera nach Wirbeln und Fronten, die sich durch die starken Temperaturgegensätze auf kurze Distanzen verraten. Er alarmiert die drei an dem Projekt beteiligten Schiffe und das Prunkstück des Projekts: einen 75 Meter langen Zeppelin, den das Team zu Beginn des Projekts in Peenemünde stolz der Öffentlichkeit vorführte. »Der Zeppelin kann quasi über den Wirbeln parken und sie deswegen genauer beobachten als zum Beispiel ein Flugzeug«, erklärt Patrick Kalb-Rottmann von der Pressestelle des Helmholtz-Zentrums.

Die etwa eine halbe Million Euro teure Materialschlacht in den Gewässern um die dänische Ostseeinsel Bornholm trägt dem Mangel an Daten Rechnung: über die Struktur submesoskaliger Phänomene und ihre Auswirkungen auf das Leben im Ozean – vor allem das Phytoplankton. Der Ursprung aller Dinge im Meer, also auch im Fokus der Erforschung mesoskaliger Turbulenz sind Milliarden winzige einzellige Algen.

Materialschlacht vor Bornholm

Der Zeppelin trägt deswegen neben einer hochauflösenden Infrarotkamera auch eine Multispektralkamera, die sehr präzise die Verteilung des Chlorophylls an der Meeresoberfläche aufzeichnen kann. Für das Geschehen unter Wasser sind dagegen die drei Schiffe zuständig. Sie sind mit Messketten und Schwimmern bewaffnet, die Sensoren in unterschiedlichen Tiefen durchs Wasser schleppen und so einen Einblick in die dreidimensionalen Strukturen erlaubt. Eine Temperaturkarte des Seegebiets, erstellt in Echtzeit auf dem Zeppelin, weist ihnen den Weg. Mehrere treibende und aktiv tauchende Sensorplattformen komplettieren die Flotte.

Die während der Messfahrten erfassten Parameter wie Temperatur, Salz- und Sauerstoffgehalt bestimmen die Dynamik submesoskaliger Systeme und damit auch die Bedingungen für das Phytoplankton. Anders als Landpflanzen sind diese Organismen den wechselnden Bedingungen in den Meeren völlig ausgeliefert. Die wichtigsten Faktoren für ihr Wachstum – einerseits Sonnenlicht, andererseits Nährstoffe wie Nitrat und Phosphat – können schnell auftauchen und wieder verschwinden. Wenn in einem Meeresbereich Licht und Nährstoffe zusammenkommen, blüht das Plankton und das Meer färbt sich grün. Kleine Algenfresser laben sich am plötzlichen Nahrungsangebot, Fische kommen hinzu und schließlich auch Meeressäuger, Vögel – und Fischerboote. Einige Stunden bis Tage bleibt das Schlaraffenland bestehen, dann löst sich die Störung auf und mit ihr das kurzlebige Ökosystem.

Solche Nährstoffe sind in der oberen, lichtdurchfluteten Schicht meist knapp. Das, was da ist, wird sofort verbraucht, und Nachschub vom Land gibt es kaum. In den lichtarmen Tiefen, wo kein Plankton wachsen kann, gibt es dagegen Mineralien, doch die gelangen nicht zur Oberfläche. Die oberste, von Turbulenz stark durchmischte Schicht reicht meist nur einige zehn Meter tief. Darunter steigt die Dichte deutlich an. Unterhalb dieser so genannten Pyknokline sinken Temperatur sowie oft auch Sauerstoffgehalt, und der Gehalt an Nährstoffen steigt. Doch wegen des Dichteunterschieds zwischen den Wassermassen bleiben sie außer Reichweite.

Wirbel und Fronten bieten willkommene Störungen, sie können die nährstoffreichen Wassermassen durch die schwer zu durchdringende Pyknokline bugsieren. Im Zentrum von Wirbeln und hinter Fronten sinkt Wasser ab, an anderen Stellen steigt es auf – und bringt lebensspendende Chemikalien wie Nitrat oder Phosphat mit sich.

Das geheime Wissen der Tiere

Das Forschungsteam hofft, dass sein Projekt endlich mehr Details über die Prozesse rund um die kurzlebigen umgedrehten Inseln ans Licht bringen wird. Die erste Forschungsfahrt des Zeppelins brachte jedenfalls viel versprechende Ergebnisse. »Wir haben an der Südostspitze von Bornholm eine sehr stark entwickelte Front gefunden, die auch an der Oberfläche schön durch Schaumstreifen zu erkennen war«, berichtet Baschek. Alle drei verfügbaren Forschungsschiffe seien durch die Front gefahren und hätten hoch aufgelöste Daten ihrer Struktur aufgezeichnet. Wie das Projektteam auf der aufwändig gestalteten Website berichtet, waren die späteren Forschungsflüge vergleichbar erfolgreich – und die jetzt beginnende Planktonblüte in der Ostsee verspricht ebenfalls neue Erkenntnisse.

Dann rückt auch eine weitere wichtige Forschungsfrage in den Mittelpunkt: Wie hängen all diese Fronten und Wirbel eigentlich mit dem Orientierungssinn von Tieren zusammen, die über weite Strecken wandern? Fische, die sich an der Wassertemperatur orientieren, werden von den warmen und kalten Zonen jedenfalls nicht aus dem Konzept gebracht. Nicht nur das – Indizien sprechen dafür, dass wandernde Tiere die Wirbel sogar über weite Strecken wahrnehmen können. So maßen Forscher vor Kalifornien in submesoskaligen Eddys eine zweieinhalbmal höhere Konzentration des passiv treibenden Phytoplanktons. Fische und Vögel dagegen, die sich aktiv bewegen, finden sich dort in zehnmal so großer Zahl ein wie in den umliegenden Meeresgebieten. Dass es dort etwas zu holen gibt, wissen sie – aber woher sie das wissen und wie sie schnell genug dorthin finden, ist unklar.

Doch wie sich während der ersten Messungen des Zeppelins herausstellte, sammeln sich an submesoskaligen Störungen auch Organismen, die den Wissenschaftlern bei dieser Frage möglicherweise weiterhelfen können. Als die Forscher von »Uhrwerk Ozean« die feine Schaumlinie der Front erblickten, waren sie nicht die Ersten, die sich an der Grenze der zwei Wassermassen einfanden – drei Fischerboote waren ihnen zuvorgekommen. Baschek: »Wir werden da wohl irgendwann mal nachfragen müssen.«