Der Einfluß von Wasserinhaltsstoffen auf die strahlungsbedingte Wärmeübertragung in Ozean und Küstengewässern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Erwärmung der Meeresoberfläche durch die Absorption von Licht durch optisch bedeutsame Wasserinhaltsstoffe (OSCs), z.B. Phytoplankton, Detritus und farbige gelöste organische Stoffe (CDOM), trägt zur jahreszeitlichen Modulation der thermischen Energieflüsse an der Grenzfläche zwischen Ozean und Atmosphäre in Küsten- und regionalen Schelfmeeren bei. Dies wurde in der westlichen Ostsee untersucht, einem Randmeer, das durch beträchtliche Einträge von Süßwasser mit Nährstoffen und CDOM sowie durch komplexe biooptische und hydrodynamische Prozesse gekennzeichnet ist. Es wurde eine neuartige Implementierung eines gekoppelten Ozean-, Bio-Optik- und Ökosystemmodells entwickelt, bei dem die inhärenten (inherent) und scheinbaren (apparent) optischen Eigenschaften verschiedener Wasserinhaltsstoffe unter variierenden Umweltbedingungen im dynamischen Ozean explizit modelliert werden und das daraus resultierende Unterwasserstrahlungsfeld in hoher spektraler Auflösung berechnet wird. Dieser Ansatz ermöglichte es, den relativen Beitrag verschiedener Wasserinhaltsstoffe zur Erwärmung des Oberflächenwassers und ihre jeweiligen Auswirkungen auf den Austausch von Wärmeenergie zwischen Atmosphäre und Ozean abzuschätzen. Er ermöglichte auch eine Untersuchung der 3-dimensionalen Auswirkungen zweier bedeutender mariner Hitzewellen (MHW), die im Mai und Juli 2018 in der Arkonasee stattfanden, auf die Dynamik der Phytoplanktonblüte. Insbesondere untersuchten wir, wie und unter welchen Umständen MHWs zur Auslösung und Entwicklung von Phytoplanktonblüten beitragen, welche Rolle mesoskalige und submesoskalige Dynamiken bei der Aufrechterhaltung der Blüte spielen, wie tief in den Wasserkörper die Auswirkungen der MHWs reichen und ob Phytoplanktonblüten einen verstärkenden Effekt auf MHWs haben, indem sie eine positive Rückkopplung durch die von den Wasserinhaltsstoffen verursachte Oberflächenerwärmung erzeugen. Die Arbeit unterstreicht die Bedeutung des abwärtsgerichteten diffusen Dämpfungskoeffizienten Kd als Bindeglied zwischen Physik und Biologie. Dieser ermöglicht eine Schätzung der Erwärmungsraten und stellt eine Verbindung zwischen biologischer Aktivität und Energieflüssen her. Im Rahmen des Projekts wurde ein umfangreicher modellierter Datensatz mit biooptischen, biophysikalischen und hydrodynamischen Variablen für das Jahr 2018 in der westlichen Ostsee erstellt, der Analysen über die vorliegende Studie hinaus ermöglicht. Informationen aus dem Datensatz wurden bereits für eine Studie über die Sinkgeschwindigkeit von Phytoplankton verwendet und wird derzeit genutzt, um die Kd-Modellierung in der westlichen Ostsee zu verbessern. Der vollständige modellierte Datensatz wird der breiteren Forschungsgemeinschaft in Form eines Datenpapiers zur Verfügung gestellt. Längerfristig erwarten wir, dass der Datensatz sowohl für Modellierer als auch für Beobachter der physikalischen und biologischen Kopplung von bio-optischen Eigenschaften in Küsten- und Randmeeren von Interesse sein wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Estimating the seasonal impact of optically significant water constituents on surface heating rates in the western Baltic Sea. Biogeosciences, 20(13), 2743-2768.
Cahill, Bronwyn E.; Kowalczuk, Piotr; Kritten, Lena; Gräwe, Ulf; Wilkin, John & Fischer, Jürgen
