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Plankton im Tidestrom

Dass Ebbe und Flut das Gesicht der Nordsee prägen, ist allgemein bekannt. Wie stark die Tide aber das Wachstum der Algen, die Primärproduktion, beeinflusst, ist bislang kaum untersucht worden. Da die Primärproduktion die Grundlage allen Lebens im Meer ist, haben sich Wissenschaftlerinnen des Instituts für Küstenforschung am Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) mithilfe von Modellrechnungen den Einfluss der Tide genauer angeschaut – und dabei einige verblüffende Entdeckungen gemacht.

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Für das Auge sichtbar gemacht: Darstellung einer Plankton-Wolke im OZEANEUM Stralsund (Foto: Sabine Billerbeck / HZG)

Das Leben im Meer beginnt mit den mikroskopisch kleinen Algen, dem Phytoplankton. Wie die Pflanzen an Land erzeugen sie mithilfe des Sonnenlichts Zucker, der dann in andere Verbindungen umgewandelt wird. Diese sogenannte Primärproduktion ist die Grundlage aller Nahrungsnetze im Meer. Denn von den Algen ernährt sich das Zooplankton (Kleinstkrebse, Fisch- oder Muschellarven), das wiederum Nahrung für höhere Tiere ist.

Wegen seiner fundamentalen Rolle untersuchen Wissenschaftler bereits seit vielen Jahren die Primärproduktion und das Wachstum des Phytoplanktons in Meeresgebieten weltweit genauer – auch in der Nordsee. Das Problem dabei ist: Die Messungen sind aufwändig, weil man dazu mit dem Schiff hinausfahren muss, um Wasserproben zu nehmen.

Zwar kann man heute vom Satelliten aus den Chlorophyllgehalt im Oberflächenwasser der Meere messen und damit auf das Algenwachstum schließen. Doch liefern diese Momentaufnahmen nur einen Ausschnitt aus dem Gesamtbild.

Tidestrom im Computermodell

Wenn man verstehen will, warum in einer bestimmten Meeresregion mal mehr oder mal weniger Phytoplankton vorhanden ist, dann muss man mehr wissen. Beispielsweise wie viele Nährstoffe im Wasser enthalten sind. Oder auch, wie klar das Wasser ist, damit ausreichend Licht eindringen kann, das die Algen für ihr Wachstum brauchen.

Die Ozeanographin Dr. Changjin Zhao hat jetzt zusammen mit Prof. Dr. Corinna Schrum und Dr. Ute Daewel am Institut für Küstenforschung des HZG erstmals den Einfluss eines weiteren Parameters umfassend untersucht, der die Primärproduktion ebenfalls stark beeinflusst: den Gezeitenstrom, die Tide. „Es gab dazu schon einzelne Arbeiten aus der Nordsee, zum Beispiel von der Doggerbank in der zentralen Nordsee. Aber das waren stets punktuelle Untersuchungen“, sagt Changjin Zhao. „Wir haben jetzt erstmals die Tide in der gesamten Nordsee genauer betrachtet.“

Und zwar mit mathematischen Modellrechnungen. Dazu benutzte die Forscherin das sogenannte ECOSMO-Modell (ECOSystem Model). Dieses ist in der Lage, die physikalischen Aspekte, also die Strömungen oder Temperaturen, mit den biogeochemischen Parametern zu kombinieren, etwa dem Verbrauch oder der Produktion von Nährstoffen durch biologische und chemische Vorgänge im Wasser und im Sediment.

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Auflaufendes Wasser in einem Priel während des Gezeitenwechsels (Foto: Ina Frings)

Dank dieser nordseeweiten Analyse konnten die Wissenschaftlerinnen einige Neuentdeckungen machen. So haben sie zum Beispiel herausgefunden, dass sich die Nordsee in Sachen Tide-Einfluss grob in drei Gebiete unterteilen lässt: In den südlichen flachen Gebieten der Nordsee durchmischt die Tide den Wasserkörper sehr stark. Dadurch wird das Phytoplankton immer wieder von der Wasseroberfläche in die dunklen tieferen Wasserschichten getragen. Zudem werden Sedimente aufgewirbelt. Damit steht den Algen weniger Licht zur Verfügung, die Photosyntheseleistung und die Primärproduktion sind dadurch geringer als in einem System ohne Gezeiten.

In Summe kann die Tide in den küstennahen Regionen der südlichen Nordsee also zu einer Verringerung der Primärproduktion führen. „Um solche Aussagen treffen zu können, haben wir ECOSMO einmal mit und einmal ohne Tide rechnen lassen“, sagt Changjin Zhao. „Im Vergleich wird der Einfluss der Tide dann deutlich.“

Nährstoffnachschub für die Frontregion

In der tieferen Nordsee sind die Wassermassen während der Produktionsphase des Phytoplanktons im Frühjahr und Sommer in der Regel stabiler geschichtet. Hier liegt warmes Wasser mit geringerer Dichte auf einem Wasserkörper kalten Wassers mit einer höheren Dichte.

Interessante Ergebnisse lieferte ECOSMO für jene Region, an der sich die Zone mit geschichtetem Wasser und die stärker durchmischten Wassermassen der südlichen Nordsee berühren. Dieses Gebiet wird als Frontenregion bezeichnet. Für diese zeigen die Modelldaten, dass durch die Tide verstärkt Nährstoffe in die obere wärmere Wasserschicht eingetragen werden. Das ist gut so, weil die Nährstoffe im Oberflächenwasser im Frühjahr schnell aufgebraucht werden. Wenn es wärmer wird und die Sonne länger scheint, wächst das Plankton stark heran, was man als Blüte bezeichnet.

Wie bei einem Balkonkasten, den man nicht düngt, sind die im Wasser gelösten Pflanzennährstoffe dann schnell verbraucht. In der Frontenregion sorgt die Tide für Nachschub aus der Tiefe.

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Luftbild einer Algenblüte in der Nordsee (Foto: Sabine Billerbeck)

Anders stellt sich die Situation in der dritten Region dar, die ECOSMO identifiziert hat: der nördlichen Nordsee. Hier ist das Wasser noch tiefer und noch stärker geschichtet, sodass der Einfluss der Tide und die Lieferung von Nährstoffnachschub sehr gering ausfallen.

Nährstoffflüsse im Detail modelliert

ECOSMO modelliert die Vorgänge im Meer mit erstaunlicher Detailliertheit. So wird die Aufnahme von Nährstoffen durch das Phytoplankton exakt durchgespielt. Hinzu kommt der Einfluss des Zooplanktons, das die Algen frisst, den Kot ausscheidet und damit Nährstoffe wieder ins Wasser freigibt. Und so lieferte die Analyse der Tide auch interessante Detailergebnisse.

Die Forscherinnen stellten zum Beispiel fest, dass die Frühjahrsblüte besonders vor Schottland und Nordengland durch die Tide verzögert wird, was offenbar mit einer verspäteten Schichtung der Wassermassen im Frühjahr zusammenhängt.

Die Tide verwirbelt das Wasser stärker, sodass im Frühjahr die Bildung klarer Wasserschichten gestört und hinausgezögert wird. Erst mit steigenden Temperaturen wird der Dichteunterschied zwischen den oberen und unteren Wassermassen so groß, dass sich die Schichten ausbilden. Diese Schichtung ist aber nötig, damit das Phytoplankton im lichtdurchfluteten oberflächennahen Wasser bleibt und sich vermehren kann.

Da die Schichtung verzögert ist, wird zunächst auch das Wachstum des Phytoplanktons und damit die Primärproduktion gebremst. Letztlich beginnt die Planktonblüte damit verzögert; fällt dann aber stärker als in anderen Nordseeregionen aus.

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Zooplankton ist abhängig von der Primärproduktion des Phytoplanktons (Foto: Klas Ove Möller / HZG)

Der Einfluss der Springtide

Die HZG-Wissenschaftlerinnen haben auch überprüft, inwieweit Spring- und Nipptiden einen Einfluss auf die Primärproduktion in der Nordsee haben. Spring- und Nipptiden folgen den Mondphasen. Während der Springtide um Voll- und Neumond ist der Gezeitenstrom besonders stark. Demgegenüber ist der Strom um Halbmond während der Nipptide besonders schwach.

Ein Ergebnis: Vor allem die Springtide kann sehr wohl einen Einfluss auf die Primärproduktion haben – und dabei können die Effekte sogar in direkt benachbarten Meeresgebieten sehr unterschiedlich sein. Die Modellierung zeigt zum Beispiel, dass die Primärproduktion in der Humber-Mündung an der Ostküste Englands unmittelbar nach der Springtide abnimmt. Im westlichen Bereich der nahegelegenen Doggerbank hingegen nimmt die Primärproduktion mit der Springtide zu; ein Effekt, der bis dato nicht bekannt war.

Changjin Zhao hat dafür eine plausible Erklärung: „In der relativ flachen Humber-Mündung bewirkt der starke Springtidenstrom eine stärkere Vermischung der Wassermassen. Das Wasser wird durch die aufgewirbelten Sedimente getrübt, sodass den Algen weniger Licht zur Verfügung steht.“ Auf der westlichen Doggerbank hingegen ist das Wasser stärker geschichtet. Hier dominiere der Effekt, dass der Springtidestrom Nährstoffe aus der Tiefe nach oben transportiert.

Das System Nordsee besser verstehen

Die Arbeiten von Changjin Zhao, Corinna Schrum und Ute Daewel tragen dazu bei, das „Gesamtsystem Nordsee“ besser zu verstehen – die verschiedenen Einflüsse, die die Primärproduktion steuern.

„Das ist eine Voraussetzung dafür, dass wir künftig den Einfluss des Klimawandels besser einschätzen können“, sagt Ute Daewel. Mit der Erforschung der Effekte, die die Tide hat, haben die Forscherinnen jetzt eine wesentliche natürliche Einflussgröße erstmals gründlich aufgeklärt.


(Text: Wissenschaftsjournalist Tim Schröder)

Ansprechpartnerin


Dr. Ute Daewel
Dr. Ute Daewel

Abteilung Stofftransport und Ökosystemdynamik

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