Argo Floats: Autonome Tauchbojen vermessen die Ozeane

Im Jahr 1887 begann die Vermessung der Ozeane - mit einer Flaschenpost. Heute gibt es moderne und autonome Bojen, die die Weltmeere unter die Lupe nehmen. Jetzt nehmen Forschende einen Bereich in den Blick, der noch fast unentdeckt ist: die Tiefsee.

Während einer Expedition mit der MARIA S. MERIAN wird eine Tauchboje ausgesetzt. © H. v. Neuhoff, GEOMAR

Die Meere sind auf vielfältige Weise bedroht: durch Klimawandel, Verschmutzung und Überfischung. Daran erinnert der Welttag der Ozeane, der am 8. Juni begangen wird. Zur Erforschung dieses riesigen Lebensraums kommt heute Hightech zum Einsatz - darunter ein globales Netzwerk autonomer Tauchbojen. Das Bundesforschungsministerium fördert seit Jahren die Weiterentwicklung dieser Geräte.

Die systematische Vermessung der Ozeane begann im Jahr 1887. Damals erteilte die Deutschen Seewarte den Kapitänen der deutschen Handelsschiffe einen Spezialauftrag: Sie sollten auf vorher definierten Längengradpositionen jeweils eine Flaschenpost mit einem Vordruck an das Meer übergeben. Die Finder wurden gebeten, Ort und Zeit des Fundes zu vermerken und die Zettel an die Seewarte zurückzusenden.

Erst durch den großflächigen Einsatz dieser wissenschaftlichen Hilfsinstrumente gelang es, die weltweiten Meeresströmungen zu bestimmen. Immerhin 660 Zettel gelangten nach Hamburg und werden dort im Archiv aufbewahrt. Noch im Jahr 2018 entdeckten Spaziergänger in Australien eine Flasche am Strand, die 1886 von der deutschen Bark PAULA dem südindischen Ozean übergeben worden war.

Auch wenn die Wissenschaft heute keine Glasflaschen mehr verwendet, ist das Prinzip der Erforschung von Strömungen  gleichgeblieben. Mittlerweile wird ein globales Netzwerk von Bojen eingesetzt, die wie autonome Mini-U-Boote vertikal abtauchen und auftauchen können. Argo Floats werden sie genannt, rund 4000 sind derzeit weltweit im Einsatz. Mehr als 30 Staaten beteiligen sich am Argo-Programm.

Bislang sind die Floats so konzipiert, dass sie sich zunächst in eine Meerestiefe von 1000 Metern hinabsinken lassen, dort neun Tage mit der Strömung treiben und dann auf 2000 Meter hinuntergehen. Anschließend tauchen sie auf und zeichnen während des Aufstiegs den Druck, die Leitfähigkeit und die Temperatur in der Wassersäule auf. An der Oberfläche werden die jeweiligen Positionen und Messdaten in das Satellitennetz gefunkt. Diese Tauchvorgänge wiederholen sich vier bis acht Jahre – bis die Batterie erschöpft ist.

© Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH)

Die Messdaten dienen zur Berechnung des Salzgehalts und der Dichte des Meerwassers. Aus der zurückgelegten Distanz und der Richtung der Floatpositionen werden Strömungsmodelle errechnet, die wiederum eine zentrale Komponente für meteorologische Modelle darstellen. Argo Floats haben darüber hinaus einen großen Nutzen für die Klimaforschung: Sie liefern Daten für die Klimamodelle der Zukunft.

Deutschland beteiligt sich derzeit mit rund 160 Argo Floats an dem international abgestimmten Programm. Die deutsche Argo-Mission wird vom Bundesamt für Schifffahrt und Hydrographie (BSH) koordiniert, eine Behörde, die in einer Traditionslinie zur Deutschen Seewarte steht. Heute werden die Tauchbojen allerdings nicht mehr von Handelsschiffen, sondern zumeist von Forschungsschiffen ins Wasser gesetzt.

„Dieses Programm stellt ein glückliches Zusammentreffen von wissenschaftlichem Bedarf und technischer Innovation dar“, sagt Birgit Klein, Leiterin der Koordinierungsgruppe am BSH. Das Besondere sei, dass das Argo-Netzwerk von keiner Organisation verwaltet werde. Es beruhe auf dem gegenseitigen Einverständnis der Länder. „Alle Beteiligten investieren viel Zeit und Geld in ein System, das der ganzen Welt nutzt.“

Längst wird an neuen Generationen der Bojen gearbeitet, auch von deutschen Meeresforschungseinrichtungen. Das Institut für Chemie und Biologie des Meeres an der Universität Oldenburg, das GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel sowie das Leibniz-Institut für Ostseeforschung in Warnemünde entwickeln Floats, die mit zusätzlichen Sensoren bestückt sind und auch biogeochemische Daten messen können – darunter den Anteil von Sauerstoff, Kohlenstoff oder Nährstoffen im Ozean. Das Bundesforschungsministerium fördert seit Jahren intensiv diese Forschungsarbeit.

Diese Innovationen erweitern die Möglichkeiten im Argo-Programm – künftig sollen verstärkt jene Geräte eingesetzt werden, die biogeochemische Parameter erfassen. In einem weiteren Schritt sollen Floats erprobt werden, die bis zu 6000 Meter tauchen können. „Wir hoffen, in Zukunft die gesamte Ozeantiefe abdecken zu können“, sagt Klein. Denn nach wie vor seien 50 Prozent des Ozeanvolumens unerforscht.

Ziel der europäischen Partner im Argo-Programm ist es zudem, künftig ein Viertel der globalen Tiefendrifter zu betreiben. Allein die Hälfte haben bislang die USA finanziert. Zudem soll das System stärker mit anderen Beobachtungsnetzwerken verknüpft werden. So messen auch Satelliten verschiedene Parameter der Meeresoberfläche - als beispielhaft gilt das Sentinel-Programm der Europäischen Weltraumorganisation ESA.

Im Projekt „DArgo2025“ wird ab August 2020 der Einsatz neuer Sensoren und die Schaffung von Datenkapazitäten im deutschen Argo-Messnetz vorangetrieben, es wird ebenfalls vom BMBF gefördert. Auch für den Einsatz in Polargebieten sollen Floats ausgestattet werden. Hier könnten ebenfalls Sensoren das Auftauchen steuern, so dass die Geräte nicht gegen die Eisdecke stoßen und dabei beschädigt werden.

Freilich können Argo Floats nicht unbegrenzt aufgerüstet werden. „Jedes zusätzliche Messgerät minimiert die Lebensdauer der Batterie“, erklärt Klein. Einen beträchtlichen Teil der Energie verbraucht ohnehin der Tauchmechanismus, der nach einem einfachen Prinzip funktioniert: Für den Aufstieg wird Hydrauliköl aus dem Druckkörper in eine Kunststoffblase im Fuß des Floats gepumpt, wodurch sich das Verdrängungsvolumen im Wasser vergrößert. Zum Abtauchen presst die Pumpe das Öl wieder zurück in den Drucktank.

Auch Strategien zur Bergung eines Teils der Hightech-Bojen werden derzeit diskutiert. Bislang sind die Geräte irgendwann in die Tiefen des Ozeans hinabgesunken, wenn Batterien und Pumpen ihren Dienst versagten. Die neue Generation der Floats ist jedoch deutlich teuer. Zwar erscheint das Einsammeln auf dem offenen Ozean kaum praktikabel, aber zumindest in den europäischen Randmeeren könnten künftig verstärkt Segler einbezogen werden und die modernen Nachfolger der Flaschenpost bei Gelegenheit an Bord ziehen.