Argo (Programm)

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Argo stellt ein operationelles Beobachtungssystem für die Weltmeere dar, mit dem seit dem Jahr 2000 Temperatur, Salzgehalt und Strömungen gemessen werden. Die in Echtzeit übertragenen Daten werden in der Forschung und der Klimaüberwachung verwendet.[1][2]

Karte des Argo-Netzwerkes im Februar 2014

Argo besteht aus einer Flotte von mehr als 3600 automatisierten Treibbojen (im Englischen profiling floats genannt), die über alle Ozeane verteilt sind. Diese Messroboter sind relativ klein und wiegen zwischen 20 und 30 kg. Alle profilierenden Treibbojen, die zum Argo-Programm gehören, unterliegen einer gemeinsamen Datenpolitik und die Daten werden in Echtzeit ohne Einschränkung für die Allgemeinheit verfügbar gemacht. In der Mehrzahl der Fälle treiben die Floats in Tiefen von 1000 m (der sogenannten Parktiefe) und tauchen alle zehn Tage dann zunächst auf 2000 m ab, um von dieser Tiefe aus an die Oberfläche aufzusteigen. Während des Aufstiegs zur Meeresoberfläche messen die Floats Temperatur, Leitfähigkeit und Druck in der Wassersäule. Mit der Hilfe der gemessenen Parameter können dann auch noch der Salzgehalt und die Dichte des Meerwassers berechnet werden. Dichte ist eine wichtige Größe in der Ozeanographie, da horizontale Dichteunterschiede die großskaligen Strömungen im Ozean antreiben.

Das mittlere Strömungsfeld in der Parktiefe lässt sich aus der zurückgelegten Distanz und der Richtung aufeinanderfolgender Floatpositionen bestimmen. Dabei werden die Positionen aber nicht in der Parktiefe gemessen, sondern erst an der Oberfläche durch die Positionierungssysteme der GPS- oder ARGOS-Satelliten. Die Übertragung der gemessenen Daten erfolgt ebenfalls per Satellit an internationale Datenzentren wo alle Daten gesammelt, in Echtzeit qualitätsgeprüft und dann zur Nutzung bereitgestellt werden.

Das Argo-Programm ist nach dem Schiff Argo aus der griechischen Mythologie benannt, mit dem sich der Königssohn Jason auf die Suche nach dem goldenen Vlies gemacht hat. Der Name betont daher die enge Verbindung des ozeanischen Messsystems zum Satellitensystem Iason, mit dem aus dem Weltall die Meeresoberflächentopographie vermessen wird. In einigen Literaturquellen wird Argo auch als Akronym angeführt, siehe dazugehörige Referenz.[3]

Internationale Zusammenarbeit[Bearbeiten]

Das Argo-Programm ist ein Gemeinschaftsprojekt von mehr als 30 Nationen aus aller Welt (siehe Graphik rechts). Erst diese gemeinschaftliche Anstrengung ermöglicht eine globale Überwachung des Weltozeans und Argo ist damit eine Kernkomponente des globalen Ozeanüberwachungsystem GOOS.[4] Koordiniert wird Argo von einer internationalen Steuergruppe, dem Argo Steering Team,[5] die sich aus einer Gruppe von Wissenschaftlern und technischen Experten zusammensetzt. Die Betreuung der Datenströme erfolgt durch das Argo Data Management Team. Eine übergeordnete Koordinierung wird durch das Argo-Informationszentrum (AIC)[6] übernommen, das beim IOC und der WMO angesiedelt ist.

International ist Argo in weitere wichtige Klimabeobachtungsprogramme eingebunden wie GEO (The Group of Earth Observation), dem zum World Climate Research Programme zugehörenden Projekt CLIVAR, in dem es um Variabilität und Vorhersagbarkeit des Systems Ozean-Atmosphäre geht und in GODAE, dem Projekt in dem es um die Assimilation von Ozeandaten geht.

Eine Animation für Kinder, die zeigt, wie Argo funktioniert, wurde vor kurzem von IMOS (Integrated Marine Messstrategy, Australien) erstellt.[7]

Geschichte[Bearbeiten]

Der ursprüngliche Plan zum Argo-Programm wurde zum ersten Mal auf der OceanObs-Konferenz 1999 vorgestellt. Ziel dieser Konferenz war es, unter Einbeziehung verschiedener internationaler Agenturen für eine Koordination der Ozeanbeobachtungen zu sorgen. Der ursprüngliche Grundriss zum Argo-Programm[8] wurde von einer kleinen Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Dean Roemmich erarbeitet. Dieser Plan sah ein globales Beobachtungssystem aus 3000 Treibkörpern vor und setzte sich das Jahr 2007 für dessen Umsetzung zum Ziel. In der Tat wurde im Jahr 2007 eine Floatdichte von 3000 Bojen erreicht und damit die globale Abdeckung des Weltozeans. Die Steuerungsgruppe (Argo Steering Team) traf sich 1999 zum ersten Mal und erarbeitete die Leitlinien zur globalen Datenweitergabe. Zehn Jahre später lieferte die Steuergruppe einen Statusreport bei der OceanObs-Konferenz 09[9] ab und diskutierte Vorschläge für die Weiterentwicklung des Systems. Die Vorschläge umfassten die Ausweitung des Beobachtungssystems auf die hohen Breiten, auf Randmeere wie den Golf von Mexiko und das Mittelmeer, vermehrte Beprobung der äquatorialen Gebiete und der starken Randströme (Golfstrom, Kuroshio). Weiterhin wurde über die Beprobung des tiefen Ozeans (> 2000 m) und die Ausbringung zusätzlicher Sensoren zur Messung biologischer und chemischer Parameter diskutiert.

Im November 2002 lieferte ein Indisches Argo Float das ein millionste Profil ab. Dies sind damit doppelt so viele Profile wie alle ozeanographischen Messungen von Forschungsschiffen im 20. Jahrhundert zusammen. Dieses Ereignis wurde in diversen Pressemitteilungen[10][11] gefeiert. Seit 2014 ist eine starke Expansion der biologischen Messungen im BioArgo-Programm zu verzeichnen.[12]

Float Design/Funktionsweise[Bearbeiten]

Schematischer Schnitt durch eine Argo-Sonde. Höhe rund 2 m. Im oberen Drittel befinden sich die Mess- und Kommunikationseinrichtungen. Die horizontale Scheibe dient der Stabilisierung. Rot das System zur Auftriebssteuerung. Die dunklen Zylinder im unteren Drittel sind die Batterien.

Die Fähigkeit eines Argo-Floats auf- und abzusteigen wird durch die Änderung der Dichte erreicht. Die Dichte eines Objekts ist definiert als seine Masse geteilt durch sein Volumen. Da die Masse (Gewicht) eines Floats unverändert bleibt, kann es seine Dichte nur durch Änderung des Volumens ändern. Dies erfolgt durch die hydraulische Expansion einer mit Öl gefüllten Kunststoffblase. Dazu wird Mineralöl aus dem druckgeschützten Gehäuse des Floats in die Kunststoffblase am Ende des Floats gepumpt und bläst diese auf. Wenn sich diese Blase dann ausweitet verliert das Float an Dichte und steigt zur Oberfläche. Wenn es die Oberfläche erreicht hat und die Daten übertragen sind, wird das Öl wieder in den Druckkörper gepumpt und der Abstieg beginnt.[13]

Floats werden nur von einer begrenzten Anzahl von Firmen und Organisationen hergestellt. Die am meisten verwendeten APEX Floats werden von der Firma Teledyne Webb hergestellt. Die SOLO und SOLO-II Floats wurden von der Scripps Institution of Oceanography entwickelt. Andere Typen umfassen die von der japanischen Firma Tsurumi Seiki Co entwickelten NINJA Floats, die PROVOR Floats, die in Frankreich am Ifremer entwickelt wurden und die deutschen NEMO Floats. Die meisten Floats benutzen Sensoren, die von der Firma Sea-Bird Electronics geliefert werden. Seit kurzem hat Sea-Bird auch ein eigenes Float im Programm, das NAVIS genannt wird. Ein typisches Argo Float ist ca. 1 m lang und hat einen Durchmesser von 14 cm. Damit hat es ein durchschnittliches Volumen von 16600 cm³. Dieses Volumen ist wichtig für die Dichteänderungen, die ein Float beim Auf- und Absteigen erreichen muss. Als Beispiel seien hier die Bedingungen an der Ozeanmessstation Papa im Golf von Alaska genutzt. Dort findet man an der Oberfläche Temperaturen von 6 °C und Salzgehalte von 32,55, was eine Dichte von 1,0256 g/cm³ ergibt. In 2000 m Tiefe sind diese Werte dann auf 2 °C und 34,48 verändert und die Dichte in dieser Tiefe beträgt damit unter Einbeziehung der Kompressibilität von Meerwasser 1,0369 g/cm³. Die Änderung der Dichte dividiert durch die Dichte in 2000 m beträgt damit 0,0109.

Das Float muss diese Dichteänderungen aufweisen, wenn es 2000 m erreichen soll und dann zur Oberfläche aufsteigen soll. Da die Dichte des Floats aus seiner Masse dividiert durch das Volumen errechnet wird, muss es also sein Volumen um 0,0109 x16600 = 181 cm³ ändern können, um diese Tiefenänderungen zu erreichen. Ein kleiner Teil dieses Volumens wird aus der Kompressibilität des Floats selbst erreicht, aber man braucht auch noch extra Auftrieb, um das Float an der Oberfläche stabil zu halten, damit die Antenne aus dem Wasser schaut.

Alle Argo Floats tragen Sensoren, die Temperatur und Salzgehalt messen, aber eine wachsende Anzahl von Floats trägt auch noch zusätzliche Sensoren wie zum Beispiel zur Messung von gelöstem Sauerstoff im Ozean und weitere Sensoren, die für biologische oder chemische Fragestellungen von Interesse sind wie Chlorophyll, Nährstoffe und pH. Diese sind in der Erweiterung des Argo-Programms als BioArgo[14] zusammengefasst und befinden sich noch in der Implementationsphase. Mit diesen zusätzlichen Messungen können dann auch die biologischen und chemischen Komponenten des Meeres überwacht werden.

Die Antenne für die Satellitenkommunikation ist am oberen Ende des Floats montiert, so dass diese klar aus dem Wasser reicht, wenn der Aufstieg beendet ist. Da der Ozean salzhaltig und damit auch leitfähig ist, ist Radiokommunikation unter Wasser nicht möglich. In den Anfängen des Argo-Programms stand nur langsame Einwegekommunikation zur Verfügung, seit 2013 jedoch steht auch schnelle Zweiwegekommunikation zur Verfügung. Als Resultat dieser schnellen Übertragungsmöglichkeiten können die Floats nun deutlich größere Datenmengen übertragen und können damit ihre Übertragungszeiten an der Oberfläche von acht bis zwölf Stunden auf nur 20 Minuten reduzieren. Dies ist begrüßenswert, da damit Probleme wie das Stranden von Floats oder Kontamination der Messzellen an der Oberfläche (sogenanntes Biofouling) vermindert werden.

Die Lebenszeit der Floats hat sich seit Beginn des Programms auch deutlich verlängert und ist nun deutlich länger als die mittleren vier Jahre Lebensdauer der Floats die im Jahre 2005 ausgebracht wurden. Es wird erwartet, dass mit weiteren Verbesserungen an den Floats Lebenszeiten von sechs Jahren und mehr erreicht werden.

Array-Design[Bearbeiten]

Anzahl der Profile, die mit Argo-Driftern südlich von 30 °S erstellt wurden (obere Kurve) im Vergleich zu Profilen die mit anderen Messsonden gesammelt wurden (untere Kurve). Besonders hervorzuheben ist die Eliminierung des saisonalen Bias in den Argo-Profilen im Vergleich zu den anderen Messsonden.

Der ursprüngliche Plan sah einen mittleren Abstand der Floats von 3 Grad geographischer Länge und 3 Grad geographischer Breite vor.[15] Mit diesen Vorgaben wird eine höhere Auflösung (in km) in höheren Breiten erreicht, was notwendig ist, da der Wirbelradius ebenfalls zu den Polen hin abnimmt. Obwohl 2007 die gesetzte Anzahl von 3000 Floats erreicht wurde, gibt es dennoch räumlich Ungleichheiten und im südlichen Ozean werden immer noch zu wenig Floats ausgelegt.[16]

Es wird daran gearbeitet, die ursprünglichen Pläne auf den gesamten Weltozean auszuweiten, speziell für den südlichen Ozean ist dies aber schwierig, da er schwer zugänglich ist und wenig Schiffe für die Auslegung der Floats zur Verfügung stehen.

Wie schon im Abschnitt ‚Geschichte‘ erwähnt, wird an einer Verstärkung der Messungen im Bereich des Äquators, der Randströme und der Randmeere gearbeitet. Damit dies umgesetzt werden kann, muss die Anzahl der Floats von den ursprünglichen 3000 auf 4000 erweitert werden.

Eine herausragende Eigenschaft des Argo-Programms ist die Tatsache, dass die Floats das ganze Jahr über messen und somit der saisonale Bias in den Beobachtungen abgebaut werden konnte, der bei schiffsgestützten Messungen vorhanden war. Das Diagramm auf der gegenüberliegenden Seite zeigt die Anzahl der Argo-Profile pro Monat die südlich von 30°S (obere Kurve) von Beginn der Argo-Messungen bis November 2012 gesammelt wurden. Im Vergleich dazu sind die Messungen aus anderen Messverfahren dargestellt. In der unteren Kurve zeigt sich dieser starke saisonale Bias deutlich, so werden im südlichen Sommer ca. 4-mal so viele Messungen durchgeführt wie im südlichen Winter.

Datenzugang[Bearbeiten]

Eine der herausragenden Errungenschaften des Argo-Programms ist der globale und uneingeschränkte Datenzugang in nahezu Echtzeit. Wenn ein Float Daten übertragen hat, werden diese sofort in ein Format übertragen, damit sie in das GTS-System (Global Telecommunications System) eingespeist werden können. Das GTS wird von der Weltmeteorologischen Organisation (WMO) betrieben und dient dem Zweck, Daten für die Wettervorhersagen zwischen nationalen Agenturen zu teilen. Das heißt, alle Nationen, die Mitglied der WMO sind, bekommen daher die Argo-Daten innerhalb weniger Stunden nach Übertragung der Daten übermittelt. Die Daten sind aber auch über ftp und WWW-Zugang erhältlich über die beiden globalen Argo-Datenzentren (GDACs) www.coriolis.eu.org in Frankreich und www.usgodae.org/argo/argo.html in den USA.

Über 90 % der Profile, die global übermittelt werden, sind innerhalb von 24 Stunden verfügbar, die restlichen 10 % mit geringfügig größeren Zeitverzögerungen.

Die Wissenschaftler, die die Daten aus dem GTS oder von den GDACs übertragen haben, sollten über ausreichende Programmierkenntnisse verfügen, um die Daten weiterverarbeiten zu können. Das von den GDACs bereitgestellte Datenformat kann z. B. mit Programmen wie Ocean DataView[17] visualisiert werden. Jeden Tag werden in den Datenzentren Files zusammengestellt, in denen nach Ozean getrennt alle Profile des entsprechenden Tages zusammengefasst werden. Ein Beispiel dazu wäre der File 20121106_prof.nc, der alle Profile für den 6. November 2012 enthalten hätte. Diese Files werden routinemäßig für den Atlantik, Pazifik und Indischen Ozean erstellt.

Ein aktueller Salzgehaltschnitt entlang der Datumsgrenze im Pazifik. Die dargestellten Daten beruhen auf Argo-Messungen und sind mit Hilfe des Global Marine Atlas dargestellt.

Für Nutzer ohne Programmierkenntnisse, die Argo-Daten nutzen wollen, stehen fertige Produkte wie der Argo Global Marine Atlas[18] zur Verfügung, die Anwenderprogramme anbieten, mit den z. B. der Salzgehaltsschnitt, der oben abgebildet ist, erzeugt werden kann. Darüber hinaus bieten diese Anwenderprogramme aber auch viele weitere Optionen, wie zum Beispiel zur Darstellung von Horizontalkarten und Zeitserien. Der Argo Global Marine Atlas wird von der Scripps Institution of Oceanography in La Jolla in Kalifornien gepflegt.[19]

Argo-Daten können auch in Google Earth dargestellt werden mit Schichtfiles, die vom AIC entwickelt worden sind.[20]

Unabhängig vom gewählten Datensatz und dem Programm zur Darstellung wird allen Nutzern angeraten, sich über die Struktur der Argo-Datenfiles, die Funktionsweise der Floats und die Bedeutung der Qualitätsflags zu informieren. Dazu steht das Argo User manual zur Verfügung.[21] Es wird dringend angeraten, dieses Manual gründlich zu studieren, bevor Analysen mit den Argo-Daten ausgeführt werden. Zusätzlich besteht eine Webpage, die von der Steuerungsgruppe gepflegt wird, die nützliche Tipps für den Argo-Anfänger bereithält.[22]

Ergebnisse[Bearbeiten]

Anzahl der wissenschaftlichen Veröffentlichungen pro Jahr, die weitgehend oder vollständig auf Argo-Daten basieren und in referierten Zeitschriften veröffentlicht wurden.

Argo ist die primäre Quelle für Informationen über den klimatischen Zustand des Ozeans und wird weit genutzt, wie man an der Vielzahl von Veröffentlichungen ablesen kann (siehe Abbildung gegenüberliegende Seite). Die Veröffentlichungen schließen eine Vielzahl von Themen ein, wie zum Beispiel Wechselwirkung zwischen Ozean und Atmosphäre, ozeanische Strömungen, zwischenjährliche Schwankungen, El Niño, mesoskalige Wirbel, Wassermasseneigenschaften und Wassermassenbildung. Die Menge der Argo-Daten reicht erstmals auch aus, um den globalen Wärmeinhalt des Ozeans auszurechnen. Argo-Daten werden auch dazu benutzt, um Computermodelle für das Klimasystem anzutreiben und dienen so der Verbesserung saisonaler Vorhersagen.[23]

Als Beispiel für wissenschaftliche Fragestellungen sei hier auf ein Manuskript von Durak und Wijffels verwiesen, das die globalen Änderungen im Oberflächensalzgehalt analysiert.[24] Ein herausragendes Ergebnis dieser Studie ist die Erkenntnis, dass die Gebiete mit schon hohen Salzgehalten salzreicher werden und die Gebiete mit niedrigen Salzgehalten eine weiter Erniedrigung der Salzgehalte zeigen, getreu dem Motto ‚die Reichen werden reicher und die Armen ärmer‘. Wissenschaftlich gesprochen wird die Verteilung des Salzgehaltes von den Unterschieden zwischen Niederschlag und Verdunstung bestimmt. Die hier vorgestellten Resultate implizieren daher, dass sich der hydrologische Kreislauf in den Komponenten Niederschlag und Verdunstung als Folge des Klimawandels verstärkt haben muss.

Argo-Daten waren essentiell für die Analysen in Kapitel 3 des 5. Sachstandsberichts des IPCC, der im September 2013 veröffentlicht wurde. In dem Appendix zu diesem Kapitel des Sachstandsberichts wird darauf verwiesen wie grundlegend sich die Qualität und das Volumen ozeanischer Messungen durch die Implementation des Argo-Programms verbessert hat. Nur durch diese Verbesserungen ist es heutzutage möglich, das Wärmebudgets im oberen Bereich des Ozeans oder Veränderungen im Oberflächensalzgehalt mit ausreichender Genauigkeit zu analysieren.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Argo Begins Systematic Global Probing of the Upper Oceans Toni Feder, in: Phys. Today 53, 50 (2000), doi:10.1063/1.1292477
  2. Richard Stenger: Flotilla of sensors to monitor world's oceans. In: CNN, 19. September 2000. Archiviert vom Original am 6 November 2007. Abgerufen am 28. Oktober 2007. 
  3. If Argo was an acronym it would be spelled „ARGO“ which the Argo Steering Team officially discourages. An acronym (Array for Realtime Geostrophic Oceanography) is occasionally cited but this arose post hoc after the name was chosen solely because of its relationship to Jason.
  4. globales Ozeanüberwachungsystem GOOS
  5. Argo Steering Team
  6. Argo-Informationszentrum (AIC)
  7. Animation auf YouTube
  8. Grundriss zum Argo-Programm (PDF-Datei)
  9. Argo – A Decade of Progress (community white paper submitted to OceanObs’09)
  10. British Oceanographic Data Centre Celebrates One Million Profiles.
  11. UNESCO Celebrates One Million Argo Profiles.
  12. Scientists Launch Bio-robots in the Indian Ocean – A Guardian report.
  13. UCSD description on „how Argo floats work“
  14. BioArgo
  15. ursprünglicher Plan
  16. Argo – A Decade of Progress (community white paper submitted to OceanObs ’09, PDF-Datei)
  17. ODV home. Abgerufen am 24. April 2014.
  18. Argo Global Marine Atlas von Megan Scanderbeg
  19. Nutzer, die an gegitterten Feldern interessiert sind, können eine Auswahl an Feldern auf der Seite finden.
  20. Instruktionen zur Nutzung dieser Files sind hier zu finden.
  21. Argo User manual (PDF)
  22. Tipps auf www.argo.ucsd.edu
  23. GODAE/OceanView
  24. P. J. Durack, S. E. Wijffels und R. J. Matear (2012): Ocean Salinities Reveal Strong Global Water Cycle Intensification During 1950 to 2000. In: Science, 336, 455-458, online.

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Argo (Programm) – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien