PACE, der neue Erdbeobachtungssatellit der NASA, untersucht Ozeane und Atmosphären im Klimawandel

Do, 18.01.2024 — Redaktion

Die Ozeane und die Atmosphäre der Erde verändern sich mit der Erwärmung des Planeten. Einige Meeresgewässer werden grüner, weil mehr mikroskopisch kleine Organismen blühen. In der Atmosphäre beeinträchtigen Staubstürme, die auf einem Kontinent entstehen, die Luftqualität eines anderen Kontinents, während der Rauch großer Waldbrände ganze Regionen tagelang einhüllen kann. Der neueste Erdbeobachtungssatellit der NASA mit der Bezeichnung PACE (Plankton, Aerosol, Wolken, Ozean-Ökosystem) wird im Februar 2024 gestartet und soll uns helfen, die komplexen Systeme, die diese und andere globale Veränderungen im Zuge der Klimaerwärmung bewirken, besser zu verstehen.*

Mit der fortschreitenden Erwärmung des Klimas, die möglicherweise zu mehr Waldbränden und damit zu einer stärkeren Ablagerung von Asche führt, können wir davon ausgehen, dass sich die Phytoplankton-Gemeinschaften verändern werden. Ivona Cetinić, Oceanographer - Ocean Ecology Lab at NASA Goddard.

"Der Ozean und die Atmosphäre interagieren auf eine Art und Weise, die nur durch kontinuierliche Forschung vollständig verstanden werden kann", sagte Jeremy Werdell, Projektwissenschaftler für die PACE-Mission am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, "Mit PACE werden wir unsere Augen für viele neue Aspekte des Klimawandels öffnen". Abbildung 1.

Abbildung 1. . PACE wird dazu beitragen, den Gesundheitszustand der Ozeane zu beurteilen, indem es die Verteilung von Phytoplankton misst - winzige pflanzenähnliche Organismen und Algen, die das marine Nahrungsnetz erhalten. Außerdem wird es die Aufzeichnungen wichtiger atmosphärischer Variablen im Zusammenhang mit der Luftqualität und dem Klima der Erde erweitern. Bildnachweis: Screenshot, NASA's Scientific Visualization Studio

Der Ozean verändert seine Farbe

Die Auswirkungen des Klimawandels auf den Ozean sind vielfältig und reichen vom Anstieg des Meeresspiegels über marine Hitzewellen bis hin zum Verlust der Artenvielfalt. Mit PACE ((Plankton, Aerosol, Wolken, Ozean-Ökosystem) werden die Forscher in der Lage sein, die Auswirkungen auf das Meeresleben in seinen kleinsten Formen zu untersuchen.

Phytoplankton sind mikroskopisch kleine, pflanzenähnliche Organismen, die nahe der Wasseroberfläche schwimmen und das Zentrum des aquatischen Nahrungsnetzes bilden, das allen möglichen Tieren - von Muscheln über Fische bis hin zu Walen - Nahrung bietet. Es gibt Tausende von Phytoplanktonarten, die jeweils unterschiedliche Nischen im Ozean besetzen.

Abbildung 2. Im Frühjahr und Sommer sind in der Barentssee nördlich von Norwegen und Russland oft blaue und grüne Blüten von Phytoplankton zu sehen. Das Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) an Bord des NASA-Satelliten Aqua hat dieses Echtfarbenbild am 15. Juli 2021 aufgenommen. Bildnachweis: NASA Earth Observatory

Während ein einzelnes Phytoplankton in der Regel nicht mit bloßem Auge zu erkennen ist, können Gemeinschaften von Billionen von Phytoplankton, sogenannte Blüten, vom Weltraum aus gesehen werden. Blüten haben oft eine grünliche Färbung, was auf die Chlorophyllmoleküle zurückzuführen ist, die das Phytoplankton- wie die Landpflanzen - zur Energiegewinnung durch Photosynthese nutzt. Abbildung 2.

Laut Ivona Cetinić, einer Ozeanografin im Ocean Ecology Lab der NASA Goddard, reagiert das Phytoplankton auf Veränderungen in seiner Umgebung. Unterschiede in den Meerestemperaturen, den Nährstoffen oder der Verfügbarkeit von Sonnenlicht können dazu führen, dass eine Art aufblüht oder verschwindet.

Aus dem Weltraum lassen sich diese Veränderungen in den Phytoplankton-Populationen als Farbunterschiede erkennen, so dass Wissenschaftler die Abundanz und Vielfalt des Phytoplanktons aus der Ferne und im globalen Maßstab untersuchen können. Und Wissenschaftler haben kürzlich festgestellt, dass der Ozean etwas grüner wird.

In einer im Jahr 2023 veröffentlichten Studie haben die Forscher Daten zur Chlorophyllkonzentration genutzt, die das Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) auf dem Aqua-Satelliten der NASA über mehr als 20 Jahre gesammelt hatte, um festzustellen, nicht nur wann und wo Phytoplanktonblüten auftraten, sondern auch, wie gesund und reichlich vorhanden sie waren. Abbildung 3.

Abbildung 3. Analyse von Ozeanfarbdaten des MODIS-Instruments auf dem Aqua-Satelliten der NASA. Die Wissenschaftler stellten fest, dass Teile des Ozeans durch mehr Chlorophyll-tragendes Phytoplankton grüner geworden sind. Kredit: NASA-Erdbeobachtungsstelle

Das Ocean Color Instrument (OCI) von PACE, ein Hyperspektralsensor, wird die Meeresforschung einen Schritt weiterbringen, indem es den Forschern ermöglicht, das Phytoplankton aus der Ferne nach Arten zu unterscheiden. (In der Vergangenheit konnten die Arten nur direkt aus Wasserproben heraus bestimmt werden). Jede Gemeinschaft hat ihre eigene Farbsignatur, die ein Instrument wie OCI identifizieren kann.

Die Identifizierung von Phytoplanktonarten ist von entscheidender Bedeutung, da die verschiedenen Phytoplanktonarten sehr unterschiedliche Funktionen in aquatischen Ökosystemen haben. Sie haben nützliche Funktionen, wie die Versorgung der Nahrungskette oder die Aufnahme von Kohlendioxid aus der Atmosphäre für die Photosynthese. Einige Phytoplanktonpopulationen binden Kohlenstoff, wenn sie sterben und in die Tiefsee sinken; andere geben das Gas wieder an die Atmosphäre ab, wenn sie in der Nähe der Oberfläche zerfallen.

Einige jedoch, wie die in den schädlichen Algenblüten vorkommenden, können sich negativ auf Menschen und aquatische Ökosysteme auswirken. Das Vorhandensein schädlicher Algen kann uns auch etwas über die Qualität der Wasserquellen verraten, z. B. ob zu viele Nährstoffe aus menschlichen Aktivitäten vorhanden sind. Durch die Identifizierung dieser Gemeinschaften im Ozean können Wissenschaftler Informationen darüber gewinnen, wie und wo das Phytoplankton vom Klimawandel betroffen ist, und wie sich Veränderungen bei diesen winzigen Organismen auf andere Lebewesen und die Ökosysteme der Ozeane auswirken können.

Partikel in der Luft ernähren das Phytoplankton im Meer

Neben seiner Rolle als Gras des Meeres spielt das Phytoplankton auch eine Rolle in einem komplexen Tanz zwischen Atmosphäre und Ozean. Und PACE wird beide Partner in diesem Tanz beobachten.

Abbildung 4. Modell, das die Bewegung von Aerosolen über Land und Wasser im Aug. 2017 zeigt. Hurrikane und tropische Stürme zeichnen sich durch große Mengen an Meeressalzpartikeln aus, die von ihren wirbelnden Winden aufgefangen werden. Staub, der aus der Sahara weht, kann von Wassertröpfchen aufgefangen werden und aus der Atmosphäre abregnen. Rauch von massiven Waldbränden im pazifischen Nordwesten Nordamerikas wird über den Atlantik nach Europa getragen. Bildnachweis: Screenshot, NASA's Scientific Visualization Studio

Mit einem Blick aus dem Weltraum über den gesamten Planeten innerhalb von 2 Tagen, wird PACE sowohl mikroskopisch kleine Organismen im Ozean als auch mikroskopisch kleine Partikel in der Atmosphäre, die so genannten Aerosole, verfolgen. Wie diese beiden interagieren, wird den Wissenschaftlern zusätzliche Erkenntnisse über die Auswirkungen des sich ändernden Klimas liefern. Abbildung 4.

Wenn sich beispielsweise Aerosolpartikel aus der Atmosphäre auf dem Ozean ablagern, können sie wichtige Nährstoffe liefern, die eine Phytoplanktonblüte auslösen. Winde tragen manchmal Asche und Staub von Waldbränden und Staubstürmen über den Ozean. Wenn diese Partikel ins Wasser fallen, können sie als Dünger wirken und Nährstoffe wie Eisen liefern, die das Wachstum der Phytoplanktonpopulationen fördern. Abbildung 5.

Abbildung 5. Visualisierung, die ein Beispiel für einen Waldbrand in den Bergen der Sierra Nevada zeigt. Bildnachweis: Screenshot, NASA's Scientific Visualization Studio

Während das Farberkennungsinstrument von PACE Veränderungen im Phytoplankton erkennen wird, trägt der Satellit auch zwei als Polarimeter bezeichnete Instrumente - SPEXone und HARP2 - die Eigenschaften des Lichts (Polarisation) nutzen, um Aerosolpartikel und Wolken zu beobachten. Die Wissenschaftler werden in der Lage sein, die Größe, Zusammensetzung und Häufigkeit dieser mikroskopisch kleinen Partikel in unserer Atmosphäre zu messen.

Rauch, Schadstoffe und Staub sind auch der Ursprung der Wolken

Die neuen Daten von PACE zur Charakterisierung atmosphärischer Partikel werden es den Wissenschaftlern ermöglichen, eine der am schwierigsten zu modellierenden Komponenten des Klimawandels zu untersuchen: die Wechselwirkung zwischen Wolken und Aerosolen.

Wolken bilden sich, wenn Wasser auf Luftpartikeln wie Rauch und Asche kondensiert. Ein leicht zu erkennendes Beispiel sind Schiffsspuren, die entstehen, wenn Wasserdampf kondensiert und helle, tiefliegende Wolken auf von Schiffen ausgestoßenen Schadstoffen bildet. Abbildung 6.

Abbildung 6. Schiffsspuren über dem nördlichen Pazifik. NASA-Bild, aufgenommen am 3. Juli 2010 mit dem Satelliten Aqua. Kredit: NASA NASA

Verschiedene Arten von Aerosolen beeinflussen auch die Eigenschaften von Wolken, wie etwa ihre Helligkeit, die von der Größe und Anzahl der Wolkentröpfchen abhängt. Diese Eigenschaften können zu unterschiedlichen Auswirkungen - Erwärmung oder Abkühlung - auf der Erdoberfläche führen.

Eine helle Wolke oder eine Wolke aus Aerosolpartikeln, die tief über einem viel dunkleren Ozean schwebt, reflektiert beispielsweise mehr Licht zurück in den Weltraum, was eine lokale Abkühlung bewirkt. In anderen Fällen haben sowohl Wolken als auch Aerosole eine wärmende Wirkung, die als "Blanketing" bezeichnet wird. Dünne Wolkenfahnen hoch oben in der Atmosphäre absorbieren die Wärme von der Erdoberfläche und strahlen sie dann wieder in Richtung Boden ab.

"Aus der Klimaperspektive ist die Beziehung zwischen Aerosolen und Wolken eine der größten Unsicherheitsquellen in unserem Verständnis des Klimas", sagt Kirk Knobelspiesse, Leiter der Polarimetrie für die PACE-Mission bei der NASA Goddard. Die neuen Erkenntnisse des Satelliten über Aerosolpartikel werden den Wissenschaftlern helfen, Wissenslücken zu schließen und unser Verständnis dieser Beziehung zu vertiefen.

*Der vorliegende Artikel von Erica McNamee (NASA's Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md) ist unter dem Titel "NASA’s PACE To Investigate Oceans, Atmospheres in Changing Climate" am 11. Jänner 2024 auf der Website der NASA erschienen https://science.nasa.gov/earth/nasas-pace-to-investigate-oceans-atmospheres-in-changing-climate/. Der unter einer cc-by Lizenz stehende Artikel wurde von der Redaktion möglichst wortgetreu übersetzt.