MOSAiC-Expedition

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Die Polarstern, Flaggschiff der MOSAiC-Expedition (Bild aus dem Jahr 2002)

Die MOSAiC-Expedition (Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate, „Multidiziplinäres Driftobservatorium zur Untersuchung des Arktisklimas“) ist eine einjährige Expedition des deutschen Alfred-Wegener-Instituts (AWI) in die zentrale Arktis.

Bei der für die Jahre von 2019 bis 2020 geplanten Kampagne wird erstmals mit einem Forschungseisbrecher die direkte Umgebung des Nordpols auch im Winter und Frühjahr erreicht werden. Gemessen an den logistischen Herausforderungen des Unternehmens, der Gesamtanzahl an Teilnehmern, der Anzahl der teilnehmenden Nationen und dem zur Verfügung stehenden Budget in Höhe von 140 Millionen Euro[1] ist MOSAiC die bisher größte Arktisexpedition. 50 Prozent der Kosten werden aus dem Etat des Bundesforschungsministerium (BMBF) gedeckt.[2]

Das zentrale Expeditionsschiff, der Forschungseisbrecher Polarstern des AWI, wird dabei von Versorgungs- und Unterstützungsoperationen der russischen Akademik Fedorov und der Admiral Makarov, der schwedischen Oden und der chinesischen Xue Long 2 unterstützt. Weiterhin sind umfangreiche Operationen mit Flugzeugen und Helikoptern geplant. Insgesamt werden während der Expedition über mehrere Phasen verteilt mehr als 600 Personen in der zentralen Arktis tätig sein. Die internationale Expedition mit mehr als 60 teilnehmenden Institutionen aus 19 Nationen wird vom AWI geführt und steht unter der Leitung des Physikers Markus Rex. Das Ziel von MOSAiC ist nach eigenen Angaben, die komplexen und derzeit nur unzureichend verstandenen Klimaprozesse der zentralen Arktis zu untersuchen, die Darstellung dieser Prozesse in globalen Klimamodellen zu verbessern und zu verlässlicheren Klimaprognosen beizutragen.

Hintergrund und Ziele[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im Winterhalbjahr ist das arktische Meereis zu dick, um von Forschungseisbrechern durchbrochen werden zu können. Daten aus der Zentralarktis fehlen daher insbesondere im Winterhalbjahr nahezu vollständig. Das Vorbild der MOSAiC-Expedition zur Erreichung der Zentralarktis im Winter ist Fridtjof Nansens Expedition mit dem hölzernen Forschungsschiff Fram in den Jahren von 1893 bis 1896 (siehe Nansens Fram-Expedition). Diese hat die Möglichkeit aufgezeigt, ein Schiff fest eingefroren in das Meereis der zentralen Arktis über die Polarkalotte driften zu lassen, allein durch die natürliche Drift des Eises in der Transpolardrift angetrieben. Während Nansen dieses grundsätzliche Konzept zeigen konnte, waren deren wissenschaftliche Messungen aus heutiger Sicht nur sehr rudimentär. MOSAiC will die Drift der Fram nun erstmals mit einem Forschungseisbrecher wiederholen, welcher mit umfangreichem wissenschaftlichem Instrumentarium zur Untersuchung komplexer Klimaprozesse ausgestattet sein wird. Ähnliche Drift-Versuche, jedoch in kleinerem Umfang fanden in der modernen Wissenschaft bereits statt. In den 1990er hatte sich der Eisbrecher Des Groseilliers der Royal Canadian Coast Guard im Meereeis einschließen lassen und die Forschungsstation SHEBA (Surface Heat Budget of the Arctic Ocean) errichtet. Der französische Segelschoner Tara wurde im Winter 2006/2007 von Meereis eingeschlossen und trieb aus der Ostsibirischen See bis in die Framstraße. 2015 unternahm die Lance des Norwegischen Polarinstituts ebenfalls eine solche Drift-Expedition.[3][4]

Das Rückgrat der Arbeit der MOSAiC-Kampagen wird die ganzjährige Drift der Polarstern durch die zentrale Arktis sein. Die Polarstern brach dazu am 20. September 2019 im norwegischen Hafen Tromsø zusammen mit der Akademik Fedorov auf. Sie wird entlang der sibirischen Küste nach Osten fahren, bei etwa 120° Ost Kurs auf Nord nehmen und in das zentrale arktische Meereis herein brechen, was zu dieser Jahreszeit noch möglich ist. Bei etwa 85° Nord werden die Maschinen der Polarstern in Leerlauf versetzt und das Schiff lässt sich fest in das Meereis einfrieren. Neben dem Schiff wird ein umfangreiches Forschungscamp auf dem Meereis errichtet, für das es Pläne für Stromtrassen, Datenkabel, Laufwege, Scooterwege und Roboterstationen gibt, deren Umsetzung sich allerdings erst vor Ort ergeben wird.[1] Akademik Fedorov bringt zeitgleich in einem Abstand von bis zu 50 km ein Netzwerk von Beobachtungsstationen auf dem Eis aus. Dieses Stationsnetzwerk besteht aus autonomen und ferngesteuerten Instrumenten, welche mit Hilfe von Helikoptern regelmäßig von der zentralen Polarstern aus angeflogen werden.

Nach einer letzten Übergabe von Treibstoff fährt Akademik Fedorov bis Ende Oktober zurück nach Tromsø. Die Polarstern driftet nun mit der natürlichen Eisdrift mit dem umliegenden Netzwerk an Forschungsstationen über den Nordpolbereich, wird ein Jahr später die Framstraße erreichen, dort das Eis wieder verlassen und Mitte Oktober in Bremerhaven einlaufen. Anfänglich und dann wieder ab Sommer 2020 werden die Eisbedingungen noch eine Versorgung und Austausch von Expeditionsteilnehmern durch die MOSAiC-Partnereisbrecher erlauben. Während der Phase Mitte Februar bis Mitte Juni wird das Meereis einen Vorstoß von Versorgungseisbrechern jedoch nicht erlauben.

Während des Zeitraums März/April werden die deutschen Forschungsflugzeuge Polar 5 und Polar 6 auf einer neben dem Schiff auf dem Meereis errichteten Landebahn landen und die Messungen der Expedition großräumig ergänzen, sie können vor Ort betankt werden. Die Meereislandebahn wird auch für die Lieferung von Versorgungsgütern und den Austausch von Expeditionsteilnehmern genutzt werden.

Für Notfalloperationen werden Langstreckenhelikopter in Flügen über eigens ausgebrachte Treibstoffdepots auf den nördlichsten sibirischen Inseln phasenweise in der Lage sein, die Polarstern während der Expedition zu erreichen.

Politischer Hintergrund[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Expedition findet im Kontext einer gesamtgesellschaftlichen Diskussion um Klimawandel und Klimaschutzmaßnahmen statt. Wissenschaftler und Geldgeber begründen ihre Notwendigkeiten unter anderem damit, dass durch sie neue Daten für künftig bessere politische Entscheidungen gewonnen würden. Deshalb seien laut Aussage von Bundeswissenschaftsministerin Anja Karliczek die Klimaforscher „die Helden unserer Zeit“. Sie verwies darauf, dass man mit mehr Daten über die Arktis im deutschen Klimaschutz aktiv werden könne: „Es ist also in unserem höchsten Interesse, die Arktis zu erforschen. Nur wenn wir wissen, wie sich das Klima in der Arktis entwickelt, sind wir in der Lage, auch bei uns in Deutschland Vorsorge gegen Klimaveränderungen zu treffen und effektiv dem Klimawandel entgegenzuwirken.“[5]

Vorbereitungs-Kampagne[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Erfahrungen für die 2019 startetende Kampagne wurden beim bislang längsten kontinuierlichen Betrieb einer Eisstation unter deutscher Leitung im Jahr 2017 gesammelt. Zwei Wochen lang machte der Forschungseisbrecher Polarstern an einer Eisscholle fest und ließ sich mit ihr durch die Arktis treiben. Aus dieser „kleinen Drift“ konnten wissenschaftliche und logistische Erfahrungen für die große einjährige Eisdriftkampagne MOSAiC gewonnen werden. Logistische Erfahrungen mit dem Zusammenspiel der verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen Atmosphärenphysik, Biogeochemie, Ozeanographie, Umweltphysik und der organismischen Biologie wurden dabei gesammelt. Geleitet wurde die Kampagne von Andreas Macke vom Tropos Leibniz-Institut für Troposphärenforschung.[6]

Teilnehmer[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

siehe Teilnehmer der MOSAiC-Expedition 2019

An der Expedition beteiligt sind 82 Forschungsinstitute und Staatsunternehmen aus 19 Ländern aus allen anrainenden Kontinenten.[7] Wissenschaftler der verschiedenen Institutionen arbeiten zeitweise auf der Polarstern; etliche Institutionen führen eigene Versuche und Probenahmen durch.

Forschungsschwerpunkte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Hauptziel von MOSAiC ist es, ein besseres Verständnis der gekoppelten Klimaprozesse der zentralen Arktis zu entwickeln, um diese in regionalen und globalen Modellen genauer darstellen zu können. Die Erkenntnisse werden zu einer verbesserten Modellierung des globalen Klimas, des Wetters sowie der Vorhersagemöglichkeiten für arktisches Meereis beitragen.

Die Ergebnisse der MOSAiC-Mission werden helfen, das Verständnis für die regionalen und globalen Folgen des arktischen Klimawandels und des Meereisverlustes zu verbessern und die Wetter- und Klimavorhersagen zu verbessern. Damit wird sie zukünftige Meer- und Offshoreoperationen unterstützen, zu einer vertieften wissenschaftlichen Grundlage für die künftige Fischerei und den marinen Verkehr entlang der nördlichen Seeroute beitragen, die Widerstandsfähigkeit der Küstenbewohner erhöhen und wissenschaftlich fundierte Entscheidungen und politische Entwicklungen vorantreiben.

Atmosphärenforschung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Atmosphärenmessungen während MOSAiC werden ein physikalisches Verständnis der lokalen und vertikalen Wechselwirkungen in der Atmosphäre liefern. Darüber hinaus wird die Charakterisierung von Wolken, der atmosphärischen Grenzschicht, der Oberflächenschicht und der Oberflächenenergieflüsse zu einem besseren Verständnis der unteren troposphärischen Prozesse führen, welche mit der arktischen Oberfläche interagieren. Eine große Herausforderung wird es sein, diese Messungen über den gesamten Jahreszyklus des Meereises aufrechtzuerhalten, insbesondere zu Beginn der Gefrierperiode, um den Übergang vom offenen Ozean zu einer sehr dünnen Meereisschicht zu erfassen. Messungen in größeren Höhen werden Eigenschaften der mittleren und oberen Troposphäre liefern. Um das Verständnis der Aerosole über der zentralen Arktis insbesondere im Winter zu erweitern, werden Messungen zur Zusammensetzung der Partikel, ihrer physikalischen Eigenschaften, ihrer direkten und indirekten Strahlungswirkung und ihrer Wechselwirkungen mit Wolkeneigenschaften durchgeführt.[8] Routinemäßige Radiosondenbeobachtungen in Kombination mit Fesselballons liefern hochauflösende Profile von Atmosphärentemperatur und -feuchtigkeit. Darüber hinaus wird per Radarmessungen das vertikale Profil der Windgeschwindigkeit und -richtung bestimmt, um die Entwicklung der mesoskaligen Dynamik zu erfassen. Die wichtigsten thermodynamischen Parameter sowie die kinematischen Strukturen der Atmosphäre werden mit Hilfe von Mikrowellen- und Infrarotradiometern sowie Raman- oder Doppler-Lidar untersucht.[9]

Physikalische Meereisforschung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Beobachtungen werden sich auf physikalische und mechanischen Eigenschaften, Morphologie, optische Eigenschaften und die Massenbilanz des arktischen Meereises erstrecken. Der Schwerpunkt liegt auf der Charakterisierung der Eigenschaften der Schnee- und Eisbedeckung, sowie dem Verständnis der Prozesse, die diese Eigenschaften bestimmen. Schneegruben und Eisbohrkerne werden den Wissenschaftler helfen, diese Daten zu sammeln. Weitere Aspekte der Meereisbeobachtung wird die Bestimmung des Massenbudgets durch Messung der Schneehöhe und der Eisdicke sein, sowie die Messung der Verteilung von Sonneneinstrahlung im Eis, der spektralen Albedo, und der Transmission des Eises. Darüber hinaus werden verschiedene Eisarten im Laufe eines vollständigen Jahreszyklus untersucht, um die räumliche Variabilität und zeitliche Entwicklung der arktischen Eisbedeckung zu bestimmen.[9]

Physikalische Ozeanografie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ozeanprozesse beeinflussen die Energiebilanz der Arktis sowie das Wachstum und die Schmelze des arktischen Meereises durch die Zufuhr von Wärme. Darüber hinaus spielen sie eine wichtige Rolle bei der biologischen Aktivität zur Bindung und zum potenziellen Export von CO2. Die durchgeführten Messungen an Wassersäulen werden helfen, die folgenden Schlüsselmechanismen zu verstehen: (1) Zufuhr von Wärme an die Schnittstelle zwischen Meereis und Ozean, (2) Absorption der Sonneneinstrahlung und die Verarbeitung entstehenden Wärme, (3) Einflüsse der Tiefsee, (4) Produktionen und Exporte aus der euphotischen Zone.

Da eines der Hauptziele der MOSAiC Expedition das Verständnis für die Entwicklung des Meereises ist, bilden eisnahe Ozeanprozesse, wie die oberflächennahe Mischung, die Schwerpunkte der ozeanografischen Messungen. Dazu werden die Dynamik und die Thermodynamik der Ozeanmischschicht im Detail untersucht.[8] Dementsprechend werden kontinuierliche Messungen turbulenter Flüsse direkt unter der Ozean-Eis-Grenzfläche durchgeführt, um die Geschwindigkeiten von Eis und Ozean, vertikale Wärme- und Impulsflüsse, Massendiffusion und andere Schlüsselprozesse zu verstehen. Darüber hinaus wird der tiefere Ozean in größerem Kontext beobachtet, indem routinemäßige Profile von Geschwindigkeit, Temperatur, Salzgehalt und gelöstem Sauerstoff in den oberen hundert Metern des Arktischen Ozeans erstellt werden, um seine Auswirkungen auf die obere Ozean-Eis-Grenzfläche zu verstehen.[9]

Biologische und Biogeochemische Forschung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Beobachtung der biologischen und biogeochemischen Transformation und Sukzession wird von Wissenschaftlern der University of East Anglia und der Woods Hole Oceanographic Institution (Biologie) und von der British Antarctic Survey, der Florida International University und dem AWI (Biochemie) übernommen.[10] Sie konzentrieren sich auf die Untersuchung von Eis-, Schnee- und Wasserproben. Gleichzeitig sollen Strömungsmessungen, sowohl an den Eis-/Wasser-, als auch an den Eis-/Luftgrenzschichten durchführt werden. Diese Messungen werden über einen vollständigen und kontinuierlichen arktischen Jahreszyklus geführt, um die Biologie und Biogeochemie des Eismeer-Atmosphärensystems zu jeder Jahreszeit zu quantifizieren, insbesondere im untererforschten arktischen Winter. Es werden zum Beispiel das jährliche Massenbudget an organischem und anorganischem Kohlenstoff beobachtet, einschließlich kristallographischer Messungen von Ikait in den Solekanälen.[9] Diese werden sich auf den durch die Biogeochemie des Meereises verursachten netto Luft-/Eis-Fluss von CO2 beziehen, sowie auf das Potenzial für das Einfangen von organischem Kohlenstoff und die Respiration von CO2. Darüber hinaus ist es ein Ziel, die Methanakkumulation, die Oxidation unter dem Meereis und die Luft-/Ozean-Flüsse nach dem Potenzial für große ozeanische Methan-Flüsse in die Atmosphäre zu quantifizieren. Ein drittes Schlüsselelement wird die Beobachtung des Zyklus biogener Gase wie N2O, O2, DMS (Dimethylsulfid) oder Bromoform im Schnee, im Meereis und -wasser sein, welche zum Verständnis der zugrunde liegenden biogeochemischen Pfade beitragen.[9] Ein weiterer wichtiger Aspekt wird die Aufstellung einer Jahresmassenbilanz und eines Eis-/Wasser-Zykluses von Makro- und Mikronährstoffen sein, indem die vertikalen Nährstoffflüsse zwischen dem Meer, der euphotischen Zone, der gemischten, sowie der tiefen Schicht des Meeres in Kombination mit molekularen Werkzeugen zum Verständnis der Recyclingketten untersucht werden.

Modell-Implementierung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine enge Vernetzung zwischen Modell- und Beobachtungskonzept spielte eine Schlüsselrolle bei der Definition und Planung der MOSAiC-Expedition. Um die Veränderungen des arktischen Klimasystems zu verstehen und zu erklären, werden Modelle zusammenwirkend mit den Beobachtungen und Messungen entwickelt und bestehende Modelle verbessert. Diese Beobachtungen spielen dann wiederum eine wichtige Rolle zur Verbesserung dieser und zur Entwicklung weiterer Modelle zur Wetter- und Meereisvorhersage sowie der Klimaprojektion. Des Weiteren werden Modelle den Blick auf Phänome ermöglichen, welche nicht direkt beobachtbar sind. Die Beobachtungen der MOSAiC-Expedition werden neue Randbedingungen für Modelle vieler Größenordnungen liefern.[11] Beispielsweise werden hochauflösende Modelle für detaillierte Studien verwendet, welche dann als Grundlage zur Verbesserung regionaler und globaler Klimamodelle dienen werden.

Zusätzlich werden regionale Arktismodelle verwendet, um wichtige Fragen bezügliche der Arktis als globale Energiesenke zu beantworten, in der Art und Weise, wie globale Verbindungsmuster von einem sich ändernden arktischen Eisvolumen beeinflusst werden, und die Auswirkungen dieser Veränderungen auf die Zirkulation und das Wetter in niedrigeren Breiten.[11] Die MOSAiC Modellierungs- und Beobachtungsaktivitäten arbeiten eng mit den internationalen Modellierungsbemühungen des World Weather Research Programmes und des World Climate Research Programmes zusammen.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b Sonja Fröhlich: Ein Jahr auf der Eisscholle. In: Kölner Stadt-Anzeiger. Nr. 217/2019. Köln 18. September 2019, Thema des Tages, S. 2.
  2. "Polarstern" macht größte Arktisexpedition aller Zeiten - "Mosaic"-Expedition. Abgerufen am 21. September 2019 (deutsch).
  3. Jonathan Amos: Scientists begin 'biggest ever' Arctic expedition. 21. September 2019 (bbc.com [abgerufen am 23. September 2019]).
  4. Tour of Norwegian Arctic science ship. Abgerufen am 23. September 2019 (englisch).
  5. dpa: Ein Jahr im Packeis: Eisbrecher "Polarstern" gestartet. 20. September 2019, abgerufen am 29. September 2019 (deutsch).
  6. BMBF-Internetredaktion: "Wir rücken in Regionen jenseits der Vorstellungskraft vor" – BMBF. Abgerufen am 21. September 2019.
  7. Liste der Partnerinstitutionen auf der Website der MOSAiC-Expedition. Abgerufen am 22. September 2019.
  8. a b Alfred-Wegener-Institut: Science Plan, MOSAiC-Expedition. Hrsg.: Alfred-Wegener-Institute. 2016 (mosaic-expedition.org [PDF]).
  9. a b c d e Alfred-Wegener Institut: Implementation Plan, MOSAiC Expedition. Hrsg.: Alfred-Wegener-Institut. 2018 (mosaic-expedition.org [PDF]).
  10. David Kadko. In: MOSAiC Expedition. Abgerufen am 21. September 2019 (amerikanisches Englisch).
  11. a b Alfred-Wegener Institut: The Expedition - MOSAIC. Alfred-Wegener-Institut, 22. August 2018, abgerufen am 27. März 2019 (englisch).