D7 Optik und physikalische Biogeochemie

Thema

Ozeanoptik und physikalische Biogeochemie untersuchen die Wechselwirkung von Licht mit den Bestandteilen des Meerwassers und deren Auswirkungen auf die biologische Produktivität und den Kohlenstoffkreislauf. Sonnenlicht ist die treibende Kraft der marinen Photosynthese: Die photosynthetisch aktive Strahlung, der Teil des Sonnenspektrums zwischen 400 und 700 Nanometern, dringt in den Ozean ein und nimmt mit zunehmender Tiefe exponentiell ab (Lambert-Beer-Gesetz). Der Absorptionskoeffizient, der diesen Lichtverlust bestimmt, hängt wiederum von drei Faktoren ab: der Phytoplanktonkonzentration, der Menge an gelöster, farbiger organischer Substanz und der Menge an im Wasser suspendierten Mineralpartikeln. Diese Kombination dreier Faktoren führt dazu, dass zwei Gewässer mit gleicher Oberflächenlichtmenge in der Tiefe völlig unterschiedliche Lichtprofile aufweisen.

Chlorophyllfluoreszenz ist das wichtigste Instrument zur direkten Messung der Phytoplanktonkonzentration im Wasser. Wenn Chlorophyll blaues Licht mit einer Wellenlänge nahe 470 Nanometern absorbiert, emittiert es rote Fluoreszenz mit einer Wellenlänge nahe 685 Nanometern. Genau diese rote Emission ermöglicht es einem Sensor, die Menge an Phytoplankton zu messen, ohne das Wasser direkt zu berühren. Diese Fluoreszenzsensoren sind mittlerweile in autonome, mit optischen Instrumenten ausgestattete Schwimmplattformen und Meeresgleiter integriert und ermöglichen so kontinuierliche Phytoplankton-Abundanzprofile anstelle von punktuellen Einzelmessungen. Die Rückstreuung des Lichts, gemessen bei mehreren Wellenlängen gleichzeitig, erlaubt die Abschätzung der Menge an im Wasser suspendierten Partikeln – sowohl organischen als auch anorganischen – und insbesondere des darin enthaltenen partikulären organischen Kohlenstoffs. Je mehr Partikel im Wasser suspendiert sind, desto mehr Licht wird zum Sensor zurückgestreut. Dieser direkte Zusammenhang ermöglicht es, die Rückstreuung als optischen Ersatz für die Partikelkonzentration zu nutzen, die andernfalls durch Filtration des Wassers gemessen werden müsste.

Die Lichtdurchlässigkeit misst hingegen, wie viel Licht eine bestimmte Strecke im Wasser durchdringt, typischerweise etwa 25 Zentimeter. Aus diesem Anteil des durchgelassenen Lichts wird der Lichtdämpfungskoeffizient abgeleitet, der sich aus der Summe zweier Komponenten zusammensetzt: der Lichtabsorption und der Lichtstreuung des Wassers. Genau diese Summe ermöglicht es dem Dämpfungskoeffizienten, in einer einzigen Zahl sowohl die Absorption als auch die Streuung des Wassers ohne Absorption zusammenzufassen. Partikelkameras fotografieren derweil automatisch alles, was im Wasser schwebt, von Partikeln mit einer Größe von nur einem Zehntel Millimeter bis hin zu Organismen mit einer Größe von 100 Millimetern. Dadurch lässt sich die Verteilung von Zooplankton und organischen Aggregaten mit einer Detailgenauigkeit verfolgen, die kein bisheriger optischer Sensor allein erreichen konnte. Die erwartete Wirkung all dieser Techniken ist, dass die Fluoreszenz ihr Maximum direkt an der Oberkante der Pyknokline erreicht, wo noch ausreichend Licht und Nährstoffe vorhanden sind, und dass ein Großteil des dort gebildeten partikulären organischen Kohlenstoffs schließlich in die Tiefsee transportiert wird. Somit folgt die Ozeanoptik von der an der Oberfläche einfallenden Strahlung bis zum partikulären Kohlenstoff, der schließlich absinkt, Wellenlänge für Wellenlänge dem gleichen Weg, den das Licht innerhalb des vom Ozean produzierten und transportierten Kohlenstoffs zurücklegt.

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