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Das Forschungsprogramm des Leibniz-Instituts für Ostseeforschung Warnemünde (IOW) (→ pdf-Version)

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung / Kurzfassung
1.1 Aufgaben und IOW-Spezifika
1.2 Ziele und Kernfragen

2. Grundlagen des Forschungsprogramms
2.1 Die Ostsee als Experimentierfeld für Meeresforschung
2.2 Kurzer Rückblick auf die Ergebnisse der letzten 10 Jahre

3. Erläuterung der Schwerpunkte
3.1 Forschungsschwerpunkt 1: Transport und Transformationsprozesse im Meer
3.2 Forschungsschwerpunkt 2: Marine Lebensgemeinschaften und Stoffkreisläufe
3.3 Forschungsschwerpunkt 3: Langfristige Veränderungen - externer Einfluss und interner Wandel

4. Querschnittsaufgaben
4.1 Modellierung
4.2 Messtechnik / Messsysteme
4.3 Wissenstransfer: Küstenmeere und Gesellschaft

1. Einleitung / Kurzfassung

1.1 Aufgaben und IOW-Spezifika
Das IOW dient gemäß seiner Satzung der "Förderung von Wissenschaft, Forschung und Lehre auf dem Gebiete der Meeresforschung". Weiterhin soll sich das IOW der "interdisziplinären Meeresforschung mit besonderer Hinwendung zum Ökosystem der Ostsee" widmen. Darin liegt explizit die Aufforderung sowohl zu interdisziplinären Forschungsansätzen als auch zu einer Ostseeforschung mit überregionaler Relevanz. Zusätzlich umfasst das Aufgabenspektrum die vom Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) übertragenen nationalen Aufgaben im Monitoring der Ostsee (HELCOM), inklusive der Erstellung der periodischen Zustandseinschätzungen. Die gegenseitige Befruchtung dieser Aufgaben ist ein wichtiger Eckpfeiler der Arbeit des IOW.

Im zehnten Jahr nach seiner Neugründung legt das IOW sein zweites Forschungsprogramm vor, das die Schnittstellen der disziplinären Forschung am IOW betonen, sektionsübergreifende Forschungsprojekte fördern und vergleichende Forschung außerhalb der Ostsee strukturieren soll. Es bietet Ansatzpunkte zu sich gegenseitig ergänzenden Forschungsaktivitäten in einer verstärkten Kooperation mit den Universitäten Rostock und Greifswald sowie in Verbundprojekten mit nationalen und internationalen Partnerinstitutionen.

1.2 Ziele und Kernfragen
In Anlehnung an die Denkschrift "Meeresforschung im nächsten Jahrzehnt" der Deutschen Forschungsgemeinschaft vom Mai 2000 sowie unter Berücksichtigung international identifizierter Forschungsfragen und eigener Ergebnisse der letzten zehn Jahre wurden für die Ostseeforschung im Speziellen und die Randmeerfoschung im Allgemeinen drei Forschungsschwerpunkte formuliert und mit Kernfragen untersetzt, auf die bis zum Ende der nächsten Dekade im IOW Antworten gefunden werden sollen:

Forschungsschwerpunkt 1: Transport- und Transformationsprozesse im Meer

• Welche Umweltgradienten ergeben sich als Reaktion auf externe Antriebe?


• Welche biogeochemischen Konsequenzen haben Transformations- und Vermischungsprozesse sowie die Variabilität der Gradienten?

Forschungsschwerpunkt 2: Marine Lebensgemeinschaften und Stoffkreisläufe

• Welche Wechselwirkungen bestehen zwischen der Zusammensetzung mariner Artengemeinschaften und quantitativen Veränderungen in Stoffmengen und Stofftransporten?


• Durch welche Mechanismen und auf welchen Skalen haben Anpassungsprozesse auf Organismus- und Gemeinschaftsebene eine regulierende Funktion in marinen Stoffkreisläufen?

Forschungsschwerpunkt 3: Marine Ökosysteme im Wandel: Externer Einfluss und interner Wandel

• Inwieweit können empirisch belegte Veränderungen im Ökosystem Klimaschwankungen und/oder menschlichen Aktivitäten zugeordnet werden?


• Welche Veränderungen lassen sich auf welchen Zeitskalen aus der Geschichte und dem heutigen Verständnis prognostizieren?

Das übergeordnete Ziel ist, die Zusammenhänge zwischen externem Antrieb durch das gekoppelte Ozean-Atmosphäre-System und die menschlichen Einwirkungen einerseits und der Veränderlichkeit mariner Ökosysteme einschließlich ihrer Organismen andererseits besser zu verstehen. Mit dem Aufbau einer weitest gehenden Zusammenarbeit aller Disziplinen bei der qualitativen und quantitativen Erfassung der biotisch-abiotischen Wechselwirkungen, der theoretischen Beschreibung der Zusammenhänge und ihrer Integration in numerischen Modellen hat das IOW ein einzigartiges Profil im Ostseeraum entwickelt. Die Zielstellung und Bearbeitung der hier skizzierten Forschungsthemen wird dieses durch Interdisziplinarität geprägte Profil weiter akzentuieren. Ein integraler Bestandteil ist dabei, die Anwendung unserer Forschungsstrategie in anderen Küstenmeeren.

2. Grundlagen des Forschungsprogramms

2.1 Die Ostsee als Experimentierfeld für Meeresforschung
Die Ostsee mit ihren noch anhaltenden postglazialen Veränderungen, ihren naturbedingten Gradienten und ausgeprägten Reaktionen auf Klimaschwankungen und anthropogene Aktivitäten ist als Untersuchungsfeld für Systemabläufe und ihre Veränderlichkeit in marinen Ökosystemen besonders gut geeignet. Herausragendes Charakteristikum der Ostsee sind die räumlich ausgedehnten Gradienten in primären (Topographie, Energie, Salz) und sekundären (Organismen, Stoffflüsse, Sauerstoff, Nährstoffe, Sedimentbeschaffenheit) Umwelteigenschaften, - als Resultat unterschiedlicher dynamischer Prozesse. Hier kann in idealer Weise untersucht werden, in welchen Raum- und Zeitskalen externe Antriebe auf die Gradienten einwirken und wie Artengemeinschaften und Stoffflussmuster auf die Veränderungen reagieren.

Die Forschungsschwerpunkte werden mit unterschiedlicher Wichtung und Kombination in drei Subsystemen der Ostsee konzentriert, die diskrete Eigenschaften in Bezug auf zeitliche und räumliche Stabilität, den vorherrschenden physikalischen/chemischen Charakter und die Artengemeinschaften haben. Diese Subsysteme sind (Tabelle Subtypen)

Die nördlichen Becken als quasi-limnisches Endglied eines idealisierten Land-Meer Übergangs (Ästuar) mit regressiver Tendenz, allerdings mit typischer saisonaler Vollkonvektion: Sie sind permanent oxisch, phosphor-limitiert und durch die dem offenen Ozean vergleichbar niedrige Primärproduktion organischer Substanz als oligotroph einzustufen. Das IOW wird seine Forschungsaktivitäten in dieses Seegebiet ausweiten, um dessen Rolle als Transmitter physikalischer Energie (Winterwasserbildung) und als Regulator winterlicher Nährstoffverhältnisse in der zentralen Ostsee zu untersuchen. Eisbedeckung, saisonale benthisch-pelagische Wechselwirkung über größere Wassertiefen, schwach ausgeprägte Salz- und Redoxgradienten und der geringe Nährstoffeintrag in den nördlichen Becken erweitern gegenüber der zentralen Ostsee und den Küstengewässern das Spektrum der Randbedingungen für die geplanten Prozessstudien.

Die Becken der zentralen Ostsee (Baltic Proper) als quasi-stabile, eigentliche Ostsee-Ökosysteme: Deckschicht- und Tiefenwasserprozesse sind durch die Haloklinen zeitlich und im Hinblick auf Prozessabläufe entkoppelt, die Tiefenwasserschichten sind typischerweise suboxisch bis anoxisch, ihre biogeochemischen Eigenschaften variieren auf Skalen von Dekaden und sie sind die Endlager für lateral transportiertes Material aus den Flachwassergebieten. Schwerpunkte der Forschung hier liegen auf der Dynamik von Grenzschichten (Atmosphäre/Wasser/Sediment) und Pyknoklinen sowie den resultierenden Stofftransporten, Stoffkreisläufen in Redox-Gradienten sowie der Langzeitvariabilität der Ostsee. Sie sind das Experimentierfeld für Untersuchungen zu stabilen und saisonal anoxischen Systemen.

Die Küsten, Flachwasser- und Übergangsbereiche im Senkungsbereich der Erdkruste in der südlichen und westlichen Ostsee als Übergang von Meer und Land: Hier sind physikalische und biogeochemische Prozesse eng gekoppelt und Antriebssignale propagieren wegen des intensiven vertikalen und lateralen Transports rasch auf Skalen von Tagen. Sie sind den menschlichen Einflüssen unmittelbar ausgesetzt und verantwortlich für einen erheblichen Anteil des Stoffumsatzes der Ostsee. Schwerpunkte der hier angesiedelten Forschung liegen auf der Auswirkung von Transgressionsprozessen, Transport, Vermischung und Modifikation von Wasser und seinen Inhaltsstoffen sowie dem Fragenkomplex der menschlichen Eingriffe in das Ökosystem Ostsee. Sie bilden ein typisches Untersuchungsgebiet für alle Ästuargebiete, größere flache Buchten und klastisch dominierte Küstenformen.

Diese Einteilung berücksichtigt die unterschiedlichen makroskopischen Eigenschaften der Subsysteme der Ostsee, die sich in den primären (physikalischen und geologischen) und sekundären (chemischen, biologischen, anthropogenen) Gradienten widerspiegeln. Sie beinhaltet ebenso die unterschiedliche zeitliche und räumliche Kopplung der Prozesse in den Subsystemen. Insgesamt decken die Subsysteme einen weiten Bereich der Gradienten ab, in den Übergangsbereichen zwischen ihnen bilden sich die Reaktionen auf sich verändernde Gradienten ab.

Die Subsysteme der Ostsee entsprechen verschiedenen Ökosystemtypen in anderen Randmeeren. Forschungsansätze und Erkenntnisse aus den Arbeiten in der Ostsee sind daher auf andere Küstenmeere übertragbar. Außerhalb der Ostsee werden die Forschungsaktivitäten entsprechend zu den in Tabelle 1 beschriebenen Systemtypen auf andere Meeresgebiete übertragen.

2.2 Kurzer Rückblick auf die Ergebnisse der letzten 10 Jahre
Die Schwerpunkte des ersten Forschungsprogramms umfassten:

Die Arbeiten zu diesen Schwerpunkten wurden unter anderem stark geprägt durch interdisziplinäre Ansätze in großen nationalen und internationalen Projekten wie z. B.: TRUMP, BASYS, LOICZ, JGOFS und GLOBEC sowie durch die enge Verbindung von Grundlagenforschung und Umweltüberwachung. Im Folgenden werden beispielhaft einige Ergebnisse dargestellt, die die Arbeitsrichtungen in den drei neuen Forschungsschwerpunkten (SP1 bis SP3) beeinflusst haben *1

Weitere Untersuchungen zum Stofftransport zwischen Nord- und Ostsee, von der Küste in die Becken, zwischen den zentralen Becken und zwischen den Systemtypen sind zur besseren Quantifizierung der Senken in der Ostsee (Export, interne Prozesse - SP1) und zum Verständnis der Reaktionen auf veränderte Rahmenbedingungen notwendig (SP3).

	Die intensiven Umsätze der biogeochemischen Prozesse in Küstennähe schaffen in unmittelbarer Küstennähe im Pelagial einen scharfen Gradient im Trophiegrad zwischen küstennahen (hyper - eutroph) und küstenferneren Gewässern (meso - oligotroph). Weitere Untersuchungen sollen klären helfen, wie empfindlich dieser Gradient auf Veränderungen im externen Antrieb reagiert (SP1) und welche Organismengruppen bestimmend sind. (SP2)
	In der zentralen Ostsee herrscht nach der Frühjahrsblüte Phosphorüberschuss vor. Diazotrophe Cyanobakterien führen große Mengen an Stickstoff in das sonst oligotrophe Pelagial ein. Entgegen dem Lehrbuchwissen haben Messungen der letzten Jahre ergeben, dass der vertikale Export von organischem Kohlenstoff und Opal in dieser Phase höher ist als nach der Frühjahrsblüte. Dieser Befund und Beobachtungen von Veränderungen in Artengemeinschaften (Rückgang der Diatomeen während der Frühjahrsblüte) weisen die Dringlichkeit von gezielten Untersuchungen zur Beziehung zwischen Lebensgemeinschaften, ihrem abiotischen Umfeld und Stoffkreisläufen hin. (SP2)
	Aus intensiven Studien zu Massenbilanzen unter maßgeblicher Einbeziehung des CO2 wurden für das "Experimentierfeld" Gotlandsee Raten für biogeochemisch relevante Stoffflüsse (Stickstofffixierung, Denitrifizierung, anoxische Phosphatremobilisierung, Umsätze an Redoxgradienten, Mineralisierung organischer Substanz) ermittelt. Zukünftige Studien werden darauf zielen, aus den gewonnenen Erkenntnissen biogeochemische Gesetzmäßigkeiten herzuleiten und diese in Modelle zu integrieren. (SP1)
	Untersuchungen zum CO2-Gasaustausch haben erwiesen, dass die Wirkung der Ostsee als CO2-"shelf pump" unerheblich ist. Es gibt aber Veranlassung für die Hypothese, dass die Ostsee ähnlich wie andere Küstenmeere als signifikante Quelle für die klimarelevanten Gase CH4 und N2O wirkt. Untersuchungen zu den betreffenden Prozessen und beteiligten Organismen sollen daher inten-siviert werden. (SP1)
	Austauschprozesse zwischen Sediment und Wassersäule wurden bisher in Modelle und Bilanzen eingebracht, ohne die für diese Prozesse kritische Kinetik sedimentärer Umsätze und ihre Empfindlichkeit gegen Umweltveränderungen zu berücksichtigen. Quantifizierungen der Austauschprozesse in sehr flachen Sedimenten zeigten eine starke Regulation durch Organismen. Um die Rolle der Sedimente für die Regulierung von Nährstoff- und Schadstoffgehalten im Ökosystem präziser zu erfassen und die Reaktion dieser Funktion auf veränderte Rahmenbedingungen zu beschreiben (SP1), sollen in Zukunft Austauschprozesse an dieser Grenzfläche in Abhängigkeit von Energieeintrag, Sedimentkriterien und Organismen intensiv bearbeitet werden (SP2).
	Erste Massenbilanzen für Schadstoffe erlauben die Identifizierung von Schlüsselprozessen für deren Transport und Verbleib im System. Dies bildet die Grundlage für weitergehende Prozessstudien, mit deren Ergebnissen mathematische Modelle zur Rekonstruktion und Vorhersage der Schadstoffbelastung formuliert werden. Die Bioverfügbarkeit der Schadstoffe und ihre Wirkung auf Organismen werden in Zukunft durch neuere Methoden intensiv untersucht. Dabei wird unter anderem besonders auf den Verbleib der Schadstoffe und auf Schädigungen von Organismen im sublethalen Bereich fokussiert. (SP2)
	Die paläogeographischen und -ozeanographischen Bedingungen in der Ostsee beim Übergang vom Eisstausee zum modernen Brackwassermeer, einschließlich faunistischer und floristischer Veränderungen, konnten weitgehend aufgeklärt werden. Die Klimaeinflüsse im späten Holozän auf das Ablagerungsmilieu in den Becken sowie die Wechselwirkung von Klima und regionalen Erdkrustenbewegungen konnten rekonstruiert werden. Das "klimatische Signal" kann die anthropogen bedingten Veränderungen im Ökosystem vollständig maskieren. Daher sollen die langfristigen natürlichen Veränderungen erfasst und die Auswirkungen vergangener und erwarteter Klimaänderungen auf die Küste und das marine Milieu quantifiziert werden. Dazu ist die Entwicklung von Stellvertretervariablen (Proxies) und Indikatoren in Sedimenten zur Darstellung des heutigen Zustandes wichtig. (SP3)
	Methodische Weiterentwicklungen in der hoch auflösenden Datenregistrierung, Probennahmetechnik, Fernerkundung und von verschiedenen Biomarkern und Stellvertretervariablen (Proxies) haben eine wichtige Grundlage für neue Forschungsansätze geschaffen.

3. Erläuterung der Schwerpunkte

3.1 Forschungsschwerpunkt 1: Transport und Transformationsprozesse im Meer → (Kurzfassung, Projekte)
Systemtypen, wie die in Tabelle 1 dargestellten, sind primär durch Topographie und physikalische Prozesse definiert. In der Ostsee hat insbesondere die Dynamik des Salzhaushalts und der Halokline eine entscheidende Bedeutung.

Der beckenweite horizontale Salzgradient wird durch die Vermischung von Meerwasser und Brackwasser, den Eintrag von Süßwasser sowie den bodennahen Einstrom salzreichen Wassers bestimmt. Während in den westlichen Übergangsbereichen und den Flachwässern der südlichen Ostsee die Wassermassentransformationen durch turbulente Vermischung und mesoskalige Strömungsmuster gesteuert wird, spielt in den nördlichen Becken die winterliche Konvektion eine entscheidende Rolle. In der zentralen Ostsee ist die Vermischung relativ gering, da die Halokline eine tiefgreifende Vertikalkonvektion verhindert. Das Tiefenwasser wird vorwiegend durch Lateraltransport von dichtem Wasser mit einer entsprechenden T-S und O2-Signatur erneuert.

Der Salzgradient und die regional unterschiedlichen Mischungsprozesse in den 3 Systemtypen steuern die Herausbildung unterschiedlicher sekundärer, chemisch biologischer Gradienten (gelöste und partikuläre Substanzen, Redoxeigenschaften). Sie spielen daher eine wichtige Rolle für den Stoffhaushalt und die Organismengemeinschaften in der Ostsee.

Zur Untersetzung der in 1.2 formulierten Kernfragen werden die Untersuchungen im Forschungschwerpunkt 1 fokussiert auf:

	die Quantifizierung der Prozesse, die Umweltgradienten aufbauen und aufrechterhalten,
	die externen Antriebe und die dynamischen Eigenschaften des Systems und deren Zeitskalen,
	die Erfassung der biogeochemischen und ökologischen Reaktionen, die durch physikalische Prozesse und die Variabilität der Gradienten hervorgerufen werden.

Mesoskalige Prozesse
Die mesoskalige Variabilität von Strömungsmustern bildet in der Ostsee den energiereichsten Anteil der Strömungsdynamik. Transporte von der Küste in die offene See sind von besonderer Bedeutung für die Ausbreitungswege des durch die Flüsse eingetragenen Materials (Dynamik von Schwebstoffen). Auftriebsprozesse vor Küsten, an unterseeischen Bänken und an Eiskanten sind von Bedeutung für die Nährstoffversorgung der Deckschicht. Mesoskalige Wirbel im Tiefenwasser der zentralen Ostsee beeinflussen die horizontalen und vertikalen Transport- und Vermischungsprozesse erheblich.
Die Quantifizierung der physikalischen mesoskaligen Prozesse bildet die Voraussetzung zum Verständnis der horizontalen Kopplung zwischen den Systemtypen: zwischen südlichen und nördlichen Gebieten der Ostsee sowie der Küstenzone und den zentralen Becken. Sie wird verbunden mit Untersuchungen des Transports von Zooplanktonstadien und Fischlarven, der Verteilung von Cyanobakterien an der Meeresoberfläche, der benthischen Besiedlung, des Transports von Nähr- und Schadstoffen und der Verteilungsmuster im Nahfeld von deponiertem Material (z.B. an Baggerschüttstellen).

Prozesse an Grenzflächen
Vertikale Austauschprozesse durch die Grenzflächen vermitteln die Kopplung zwischen Atmosphäre und Deckschicht, zwischen den einzelnen Schichten im Wasserkörper sowie zwischen Wasser und Sediment. Im Übergangsgebiet und den Küstengewässern liegen die Grenzflächen sehr eng beieinander, in den zentralen und nördlichen Becken liegen sie erheblich weiter auseinander. Sie beschreiben sehr große (Atmosphäre-Wasser, Wasser-Sediment) und relativ kleine Dichteunterschiede (Halokline und Thermokline). Die Herausforderung der nächsten Periode wird es sein, zeitliche und räumliche Veränderungen der Grenzflächen und der Stoffflüsse durch Grenzflächen als Reaktion auf externe Anregung zu verstehen, zu quantifizieren und zu modellieren.

Flüsse von Impuls und Wärme durch die Meeresoberfläche bilden die treibenden Komponenten der Deckschichtdynamik. Die kleinskalige Turbulenz durch brechende Wellen ist ein wichtiger Faktor für den Gasaustausch mit der Atmosphäre. Die Intensität der turbulenten Vermischung in der Deckschicht hat wichtige biologische Konsequenzen für die Verfügbarkeit von Licht und Nährstoffen sowie für die Kontaktraten von Zellen untereinander und für die Bildung oder Zerstörung von Aggregaten (GEOHAB).
Im Mittelpunkt von zukünftigen Forschungsprojekten stehen Turbulenzmessungen mit neuen akustischen Verfahren (Reynolds Schubspannungen) in Verbindung mit weiter zu entwickelnden Turbulenzmodellen.

Einen weiteren Schwerpunkt (SOLAS) bilden Untersuchungen zu Stoffflüssen an der Grenzfläche zur Atmosphäre. Hierfür soll die Entwicklung von Methoden zur großräumigen und zeitlich adäquat aufgelösten Bestimmung von Partialdruckdifferenzen der zu untersuchenden Gase (CO2, CH4, N2O, halogenierte Kohlenwasserstoffe, Hg, POPs) vorangetrieben werden. Parallel dazu sind die biogeochemischen Prozesse zu identifizieren und quantitativ zu beschreiben, die die Quelle/Senke für die betrachteten Gase darstellen. Ergänzend sollen weitere Anstrengungen zur Parameterisierung der Gastransfergeschwindigkeit unter Einsatz von mikrometeorologischen Methoden (z.B. eddy covariance) unternommen werden. Letztlich wird angestrebt, durch die Kopplung biogeochemischer Modelle und existierender atmosphärischer Transportmodelle den Beitrag des Gasaustauschs für die Stoffbudgets der Atmosphäre und der Ostsee für gegenwärtige Bedingungen und für zukünftige Szenarien zu simulieren.

Kleinskalige, turbulente Prozesse in den Sprungschichten der Wassersäule, wie die saisonale Thermokline und die permanente Halokline, werden durch Instabilitäten, wie zum Beispiel brechende interne Wellen, angetrieben. Die Anregung, Ausbreitung von internen und Trägheitswellen sowie ihre Verbindung mit kleinskaligen Vermischungs- und Dissipationsprozessen (Mikrostruktur) erfordern weitere Aufklärung und Quantifizierung, auch um das abiotische Milieu für die Organismen in diesen Schichten besser zu erfassen.

Vermischungsprozesse in der Halokline können bei andauernden anoxischen Verhältnissen im Tiefenwaser einen qualitativen Umschlag bewirken: freigesetzte und im Wasser akkumulierte Substanzen wie Phosphat und redox-sensitive Metalle werden in die Deckschicht transportiert.
Eine verbesserte Erfassung der Transport- und Vermischungsprozesse in verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen ist daher von direkter Bedeutung für die Quantifizierung biogeochemischer Stoffflüsse. Messungen von mesoskaligen und kleinskaligen Prozessen sollen mit der Erfassung von Flussraten verbunden werden.

Untersuchungen zur Bodenreibungsschicht sind wesentlich zur Quantifizierung von Sedimentations- und Resuspensionsprozessen. Beobachtete Stoffaustauschraten zeigen starke Abhängigkeiten von Sedimenteigenschaften und erhebliche interannuelle Änderungen des Nährstoffinventars (P, N, Si) durch den redoxabhängigen Austausch an der Sediment/Wasser-Grenze. Die weitere qualitative und quantitative Abschätzung dieser internen Nährstoffflüsse und seiner Steuergrößen ist wesentlich für eine realitätsnahe Modellierung des Ökosystems Ostsee.

Salz- und Stoffbilanzen
Veränderungen der beiden Pole des Salzgradienten, durch Wind getriebene Durchmischung im Übergangsgebiet zwischen Ostsee und Nordsee und konvektive Vermischung durch winterliche Abkühlung im Bottnischen Meerbusen beeinflussen die räumliche Struktur und die zeitliche Stabilität der Halokline. Die Salzgehaltssprungschicht ist das Resultat einer dynamischen Balance: zuströmendes salzreiches Wasser verstärkt die Halokline, während kleinskalige vertikale Vermischung, häufig in Verbindung mit meso- und mikroskaligen Vorgängen, Salzflüsse in das Oberflächenwasser bewirken und somit die Halokline schwächen.
Ein verbessertes Verständnis der zeitlichen Variabilität des Ostsee-Ökosystems verlangt einerseits eine genauere Quantifizierung der Einstrommechanismen im Bereich der Ostseeeingänge und an Schwellen sowie detaillierte Untersuchungen, theoretische Beschreibung und Modellierung der Ausbreitungsmuster des salzreichen Wassers auf dem Weg in die zentralen Becken. Andererseits müssen die destabilisierenden Prozesse der Winterwasserbildung und der Austauschprozesse an Grenzschichten besser verstanden werden. Aufbauend auf dem bisher Erreichten wird diesen Prozessen in Verbindung mit Messungen der Sauerstoffdynamik, der Denitrifikation, Freisetzung und Akkumulation von Nähr- und Schadstoffen in Tiefenwasser und Sediment in den nächsten Jahren erhöhte Aufmerksamkeit gewidmet.

3.2 Forschungsschwerpunkt 2: Marine Lebensgemeinschaften und Stoffkreisläufe → (Kurzfassung, Projekte)
Die biologischen Gemeinschaften und ihre Leistungen in den charakteristischen Subsystemen der Ostsee sind eng an die physikalische Umwelt gebunden. Energiefluß sowie vertikaler und lateraler Transport von Stoffen schaffen den Hintergrund, vor dem sich biologische Diversität und metabolische Umsätze einstellen. Daher bilden sich die unterschiedlichen physikalischen Bedingungen in den drei Kernbereichen der Ostsee auch in der Artenzusammensetzung und den spezifischen Stoffumsätzen der Organismen ab. Die Arbeiten im Forschungsschwerpunkt 2 werden exemplarisch auf diese funktionell unterschiedlichen Systemtypen der Ostsee fokussiert. Es soll die Rolle von Schlüsselarten/-gruppen für quantitative Verschiebungen in biogeochemischen Stoffflüssen und für strukturelle Veränderungen in den marinen Ökosystemtypen aufgeklärt werden. Dabei steht die Frage im Vordergrund, auf welche Weise und in welchem Maße sich quantitative Veränderungen der Elementinventare und deren Transporte und qualitative Veränderungen des Ökosystems und seiner Organismen gegenseitig bedingen und beeinflussen.

Die Arbeiten in diesem Forschungsschwerpunkt sollen mit zwei Themenkomplexen zur Beantwortung der Kernfragen (Kap. 1.2) beitragen:

Diversität und Stofftransporte
Die Biogeochemie eines Seegebietes wird im Rahmen des physikalischen Antriebes entscheidend durch Zusammensetzung und Aktivitäten von Organismengruppen beeinflusst. Der quantitative Zusammenhang zwischen physikalisch-chemischem Antrieb und biologischen Aktivitäten ist ein Kernthema dieses Komplexes, bei dem die biologischen Umsätze vor dem Hintergrund der klein-skaligen Transportprozesse durch Grenzflächen im Zentrum stehen.

In den flachen Randgebieten der Ostsee besteht eine enge Raum/Zeit-Kopplung zwischen vertikalem Partikelexport aus und der Rückfuhr der Abbauprodukte in die euphotische Zone. In diesem Bereich steht die Regulation der mikrobiellen Umsätze und des Transportes gelöster und fester Stoffe an der Sediment/Wasser-Grenze im Vordergrund der Untersuchungen. Die bisher völlig unterschätzte Bedeutung der permeablen Sedimente in den flachen Randgebieten für die Stoffumsätze im Gesamtsystem Ostsee ist Anlass, detaillierte Untersuchungen des mikrobiellen Umsatzes in Verbindung mit Bilanzierungen der gesamten Leistung der Flachwasserareale voran zu treiben. Diese Untersuchungen stehen in enger Verbindung mit den Arbeiten zum Gasaustausch der Gewässer mit der Atmosphäre, da externe Einleitungen in den küstennahen Bereichen erheblichen Modifikationen unterliegen, die bis zum vollständigen Übergang in die Gasphase führen können.

Für den Bereich der zentralen Ostsee haben die unterschiedlichen Modi der "neuen" Produktion eine Schlüsselstellung. Sie spiegeln sich in der Biomassebildung aus lateralen Einträgen, atmosphärischen und sedimentären Quellen wider. Ein typisches Beispiel für biologische Kontrolle ist die Regulation des verfügbaren Stickstoffs über das Gleichgewicht zwischen mikrobiellem Stickstoffeintrag und -verlust. Zwar wurden in den letzten Jahren großräumige Elementbilanzen aufgestellt, jedoch sind die physikalisch-biologischen Steuermechanismen der Prozesse, die das Verhältnis zwischen Eintrag und Verfügbarkeit von Substanzen regulieren, weitgehend unbekannt. Die dabei vermuteten Zusammenhänge zwischen externem Stickstoffeintrag und interner Denitrifikation und die Steuerung durch die beteiligten Organismen sollen untersucht werden. Einen weiteren interdisziplinären Schwerpunkt bildet die Dynamik der Partikelbildung an der Redoxcline. Die enge bisherige Verbindung von Untersuchungen des kleinskaligen physikalischen Transports, der chemisch-mineralogischen und der mikrobiologischen Umsätze im gesamten Redoxgradienten der Wassersäule soll weiterhin eine fachübergreifende Grundlage zukünftiger Arbeiten bilden. Mittels molekularbiologischer Methoden sollen beteiligte Organismen identifiziert und in Feld- und Laboruntersuchungen Kenntnisse über ihre Potentiale für Stoffumsätze gewonnen werden.

Diese Untersuchungen bilden die Basis für eine sinnvolle Verbindung von organismisch orientierten Studien und der Erfassung räumlicher sowie zeitlicher Variabilität der Stoffflüsse. Sie gliedern sich zugleich in Programme der internationalen Diversitätsforschung ein.
Die Quantifizierung der verschiedenen Quellen und Senken produktionsrelevanter Substanzen und die Beschreibung der Transportwege eingeleiteter Substanzen wird fortgeführt. Mit den Kohlenstoff-, Stickstoff- und Sauerstoffisotopenmessungen, der Analyse von Markerpigmenten und biogenen Mineralbildungen steht ein Arsenal an biogenen Markern für Prozesse und Massenumsätze auf den unterschiedlichsten zeitlichen Skalen zur Verfügung, das auch künftig den engen Bezug zu geologisch/geochemischen Fragestellungen liefert. In diesem Bereich sollen zusätzliche Untersuchungen zur Identifikation neuer geochemischer Indikatoren und Proxies für die historische Entwicklung physikalisch-chemischer Randbedingungen in den sedimentären Ablagerungen führen. Da die ‚biogeochemischen Provinzen' der Ostsee deutlich von einander abgetrennte Sedimentationsbecken aufweisen, ist eine klare Zuordnung von Quellen und Senken für viele der Tracer gewährleistet.

In den nördlichen Bereichen der Ostsee treffen mit der saisonalen Totalkonvektion andersartige vertikale Transportprozesse auf eine durch die niedrigen Salzgehalte geprägte Artengemeinschaft. Hier sollen vergleichend generelle Fragen über die Beziehung zwischen Artenvielfalt und gesamten Stoffumsatz im System untersucht werden. Anders als in der zentralen Ostsee ist in den nördlichen Becken die Bildung neuer Biomasse nicht durch Stickstoffmangel, sondern durch Phosphormangel begrenzt. Damit sind auch die Grundmechanismen der Exportproduktion völlig andere und ein Vergleich der Effekte dieser unterschiedlichen Basisbedingungen auf den Stofftransfer im Nahrungsnetz und die Stoffflüsse im Gesamtsystem soll ein Schwerpunkt der Arbeiten werden. Ein damit verknüpftes Thema ist der Einfluss von physikalisch/biologischen Interaktionen am Eisrand auf den biogeochemischen Hintergrund dieses Seegebietes und mögliche Auswirkung auf die nördlichen Regionen der zentralen Ostsee.

Anpassung und Systemstabilität
Im engen Bezug zur biogeochemischen Arbeitsrichtung soll untersucht werden, in welchem Maße die Anpassung von im Stoffkreislauf dominierenden Organismengruppen an Veränderungen der Umwelt (natürlich oder anthropogen angeregt) durch physiologische Adaptation noch möglich ist und wann eine Verschiebung im Artenspektrum erfolgt. Die Fähigkeit von Organismen, durch Anpassungsprozesse die Struktur des Ökosystems zu stabilisieren und dabei auch regulierend auf den Stofftransfer zu wirken, gehört zu den Grundeigenschaften biologischer Systeme. Diese auf globalen und regionalen Skalen beschriebene Interaktion zwischen Umwelt und Organismen ist aber im marinen mesoskaligen Bereich bisher nur wenig untersucht wurde. Ein vorrangiges Ziel ist daher die Parametrisierung solcher stabilisierenden Prozesse und ihre Berücksichtigung in mesoskaligen Ökosystemmodellen. Besonders intensiv sollen Grenzbereiche dieser Anpassung - Veränderung in der Kopplung von Autotrophie und Heterotrophie, in der benthisch-pelagischen Kopplung und in der Abfolge der Oxydationsmittel - untersucht und beschrieben werden.
Vergleichende Untersuchungen in den drei Subsystemen der Ostsee sollen den Einfluss der verschiedenen abiotischen Gradienten auf das Anpassungspotential der Organismen klären (z.B. Licht- und Nährstofflimitierung, Redoxgradient).

Die Untersuchungen in diesem thematischen Schwerpunkt unterstützen die Definition von Indikatoren, die sowohl natürliche Umweltveränderungen als Auslöser wie auch darauf folgende Anpassungsreaktionen der marinen Ökosysteme dokumentieren. Eine wichtige ergänzende Aufgabe stellt sich mit der Untersuchung physiologischer Parameter, die schadstoffspezifische Reaktionen in Organismen indizieren (Biomarker). Hier sollen in interdisziplinären Ansätzen der Eintrag, Transport, Effekte und Verbleib von Schadstoffen im marinen Ökosystem fortgeführt und eine weitere Verbindung zu den anderen Forschungsschwerpunkten geschaffen werden.

3.3 Forschungsschwerpunkt 3: Marine Ökosysteme im Wandel - externer Antrieb und interner Wandel → (Kurzfassung , Projekte)
Das Ökosystem der Ostsee unterliegt starken natürlichen Schwankungen auf unterschiedlichen Zeitskalen, deren Motor geologische Prozesse, klimatisch getriebene Änderungen der Hydrographie und menschliche Einflüsse sind. Anhaltende geologische Prozesse mit Zeitskalen von >1000 Jahren formen die Küsten; Langzeitdaten zeigen jährliche bis dekadische Schwankungen physikalischer, chemischer und biologischer Variablen, deren Ursachen wahrscheinlich klimatischer Natur sind. Der direkte Einfluss des Menschen spiegelt sich in eingeschleppten Arten, Änderungen des hydrologischen Regimes im Einzugsgebiet und Einträgen in die Ostsee wider.
Vor diesem Hintergrund zielt der Beitrag dieses Schwerpunktes zu den Kernfragen (1.2) auf:

Drei Themenkomplexe sollen in den Systemtypen der Ostsee untersucht werden:
Küstenänderungen auf langen Zeitskalen: Änderungen der Küstenverläufe und damit der Paläogeographie sind verbunden mit Erosions-, Transport- und Akkumulationsprozessen, die sich aus einer Überlagerung säkularer Klimaänderungen und Vertikalbewegungen der Erdkruste ergeben.
Im Sediment gespeicherte Informationen über den zeitlichen Verlauf der Küstenänderungen und ihre paläoklimatischen und -ökologischen Randbedingungen sollen ausgewertet werden, um die langfristigen natürlichen Trends zu identifizieren und von anthropogenen Störungen durch bauliche Eingriffe in das Küstensystem zu differenzieren.
Nicht hinreichend quantitativ verstanden ist bis heute der morphodynamische Küstenbildungsprozess auf langen Zeitskalen. Eine neue Herausforderung ergibt sich mit der Einbeziehung prognostischer Klimamodellierungen, mit der heute szenarische Entwicklungen des Meeresspiegels für die kommenden Jahrhunderte gerechnet werden können.

Aus dem Verständnis der historischen Entwicklung heraus sollen die Effekte von möglichen zukünftigen Änderungen des hydrographischem Regimes, von Vertikalbewegungen der Erdkruste, aber auch anthropogenen Aktivitäten auf die Küstenentwicklung mit Hilfe numerischer Simulationstechniken als Szenarien dargestellt werden.

Änderungen in biogeochemischen Kreisläufen: Die natürliche Variabilität des Ökosystems Ostsee wird seit einigen Jahrzehnten durch menschliche Einflüsse moduliert und in einigen Fällen dominiert. Der menschliche Einfluss - in Form erhöhter Einträge von Nährstoffen, Metallen und xenobiotischen Substanzen - wird in Ablagerungen der letzten 100 Jahren sichtbar und ist mit Messdaten seit etwa 1950 belegt. Sedimentarchive zeigen deutlich, dass die zunehmende Eutrophierung der Küstengewässer Änderungen der pelagischen und benthischen Organismen nach sich zog.
Andererseits beeinflusst die hydrographische Variabilität der Ostsee in hohem Maße Langzeittrends in Nährstoffkonzentrationen und in marinen Nahrungsnetzen. Salzgehaltsschwankungen auf der Langzeitskala in der Ostsee hängen von Niederschlägen, Süßwassereinträgen und dem Einstrom von salzreichem Nordseewasser ab, die mit den klimatischen Bedingungen über dem Atlantik verknüpft sind. In den Sedimenten der Ostsee gibt es Anzeichen dafür, dass natürliche Schwankungen im Salzgehalt mit natürlichen Eutrophierungserscheinungen in Verbindung stehen, die historisch weit vor der Zeit menschlicher Aktivitäten im Ostseeraum liegen.

In den nächsten Jahren muss die Diagnose natürlicher und menschlicher Einflüsse erheblich verbessert werden. Dies wird angestrebt durch die Etablierung neuer und Validierung gebräuchlicher und neuer Stellvertretervariablen (Proxies) in Sedimenten durch den Abgleich der Sedimenteigenschaften mit beobachteten Zeitreihen chemischer, biologischer oder physikalischer Eigenschaften, um diese in datierten Sedimentkernen auf längere Zeitskalen extrapolieren zu können. Die Stellvertretervariablen für heutige Zustände gewinnen Trennschärfe durch die Untersuchung ihrer räumlichen Muster entlang der physikalischen, chemischen und biologischen Gradienten der Ostsee. Solche Gradienten bilden sich nach bisherigem Wissen in den stabilen Isotopen von Stickstoff und Kohlenstoff, in Akkumulationsraten anthropogener Substanzen und in der Zonierung des Phytoplanktons ab.

Es sollen im zweiten Schritt detaillierte Inventare und Zeitserien von biologischen, chemischen und isotopischen Variablen in allen wichtigen Lagunen- und Beckenbereichen aller drei Systemtypen der Ostsee erarbeitet werden. Sie werden ausgewertet, um die Variabilitäten in den einzelnen Beckenbereichen zu kartieren und die Änderungen der internen (z.B., Salinitäten, biologische Zonierung im Pelagial) und externen (Kontaminanten und Nährstoffe) Zustände und Stoffflüsse zu verfolgen.

Einen Qualitätssprung in der Analyse langfristiger Veränderungen wird von einem dritten Schritt erwartet: Der Verknüpfung von Beobachtungen aus den Archiven mit Ergebnissen numerischer Modelle des gekoppelten klimatischen, ozeanographischen und biogeochemischen Systems. Ausgehend von globalen Klimasimulationen und Regionalmodellen der atmosphärischen Antriebe sollen Anfangs- und Randwerte erzeugt werden, die - an Zirkulations- und biogeochemische Modelle übergeben - rückblickende und szenarische Modellierung der Zirkulation der Ostsee und des Ökosystems erlauben. Abgeglichen mit den Archiven wird damit ein Werkzeug zur Verfügung stehen, das Studien zur Reaktion des gesamten Ökosystems auf vergangene und zukünftige Klimaschwankungen und menschliche Einflüsse ermöglicht.

Änderungen in Artengemeinschaften: Die kausalen Zusammenhänge zwischen Antrieb des gekoppelten Ozean-Atmosphäre-Systems bis zur Reaktion mariner Ökosysteme und ihrer Populationen sind, bis auf einige auslösende Faktoren, bisher kaum bekannt. Nach heutigem Wissen bewirkt die Variabilität physikalischer Prozesse jährliche, zwischenjährliche und längerfristige Variabilität der Artengemeinschaft, wie z.B.: das Vorkommen von Zooplankton, das Auftreten von Cyanobakterienblüten und die Abundanz von Diatomeen im Frühjahr. Daher ist ein besseres Verständnis darüber erforderlich, wie durch Klimaschwankungen angetriebene Änderungen in den Eigenschaften von Wassermassen und in der ozeanischen Strömungsstruktur auf die Wachstums-, Fortpflanzungs- und Überlebensraten von planktischen und benthischen Organismen Einfluss nehmen. Durch gezielte Prozessstudien und damit verbundene gekoppelte Modellierung soll geklärt werden, wie physikalische Parameter und Prozesse (z.B. Windrichtung und -stärke, Turbulenz, Schichtungsverhältnisse, Salzwassereinbrüche, Fronten, Eddies) die Dynamik der einzelnen Organismenarten und -gruppen beeinflussen.

4. Querschnittsaufgaben → (Projekte)
Die im Folgenden beschriebenen Querschnittsaufgaben dienen der Integration verschiedenster Ergebnisse (Modellierung), der technisch-methodischen Unterstützung der Feldarbeiten (Messtechnik / Messmethoden) und der inhaltlichen Verklammerung von wissenschaftlichen Ergebnissen zu Aussagen über die Einwirkung menschlicher Eingriffe in marine Ökosysteme (Küstenmeere und Gesellschaft).

4.1 Modellierung
Die Modellierung von marinen Systemen, insbesondere der Ostsee, ist eine Querschnittsaufgabe, die interdisziplinäre Zusammenarbeit erfordert und fördert. Die natürliche Grundlage für integrierte Modelle besteht in der modularen Kopplung von Zirkulationsmodellen und vertikal hoch auflösenden Wassersäulenmodellen mit chemisch-biologischen und sedimentologischen Modellen. Der modulare Ansatz reflektiert die Notwendigkeit, einzelne Prozessgruppen zu isolieren, um sie unter stark vereinfachten, idealisierten Bedingungen zu untersuchen und Teilmodelle zu formulieren.

Zirkulationsmodelle: Die Basis von 3D-Zirkulationsmodellen sind mathematisch formulierte physikalische Prinzipien, insbesondere der Erhaltungssätze für Impuls, Masse und Energie. Aufgrund des breiten Spektrums relevanter Skalen, von der viskosen Mikroskala bis zur globalen Skala, müssen die Auswirkungen kleinskaliger Prozesse wie Turbulenz, interne Wellen und Seegang parametrisiert werden. Hierzu sollen in Zukunft vermehrt Forschungsarbeiten bei gleichzeitiger Verbesserung der Datenbasis durchgeführt werden. Der Weiterentwicklung der numerischen Diskretisierung der mathematischen Gleichungen soll langfristig gesteigerte Aufmerksamkeit gewidmet werden, um die Wirkung der starken Schichtung und der steilen Topographie besser zu erfassen.
Methodische Arbeiten werden sich mit der prozessorientierten Raum/Zeit-Interpolation von Beobachtungsdaten mittels Datenassimilation zur Erstellung von auf regelmäßigen Gitternetzen vorliegenden Datensätzen befassen. Hiermit soll eine Verbesserung im Vergleich zu heute bestehenden Monatsklimatologien, die interannuelle Prozesse wie Salzwassereinbrüche unberücksichtigt lässt, erreicht werden.

Biogeochemische Modelle: Eng gekoppelt an die Salzbilanz in der Ostsee sind die Bilanzen anderer Stoffe im Tiefenwasser. Von besonderer Bedeutung ist die genauere Beschreibung der Denitrifizierungsprozesse sowie der Phosphatfreisetzung unter wechselnden Redoxbedingungen.

Modelle der Nahrungsnetze: Modelle der pelagischen Nahrungsnetze sollen die Beschreibung der Nährstoffdynamik, Planktonsukzession und Lebenszyklen von Zooplanktern, sowie abgestorbenes Material, Sedimentation und Remineralisierung beinhalten.
Die Kopplung dieser Modelle mit Zirkulationsmodellen ermöglicht 3D-Ökosystemmodelle der Ostsee, die für Fragestellungen von internationalen Programmen wie GLOBEC oder GEOHAB relevant sind.

Sedimentologische Modelle: Die Prozesse an der Grenzfläche Wasser - Sediment erfordern eine spezielle Behandlung der Bodenreibungsschicht sowie Informationen über Sedimenteigenschaften. Die entscheidenden Modellparameter sind kritische Schubspannung (Resuspension), Materialflüsse bei Erosion, Sinkgeschwindigkeit, Korngrößen und Kompaktion. Hinzu kommen biogeochemische Prozesse wie Diagenese und Bioturbation. Hierzu müssen die Datensätze noch erheblich verbessert werden, da die Sedimenteigenschaften räumlich stark variieren.

Multimedia Modelle: Viele organische Kontaminanten verteilen sich auf Wasser, Sediment, Atmosphäre und weitere marine und terrestrische Umweltkompartimente, ihr Verbleib kann daher nur in Multimedia Modellen erfasst werden. Die zu entwickelnde Modellbeschreibung des Austausches zwischen den Medien wird durch geeignete Daten zur Überprüfung untersetzt.

Zur Förderung der interdisziplinären Arbeiten, Auswertungen und Modellierung müssen die Datenströme innerhalb des Instituts weiter verbessert werden. Die Datenbanken des IOW sollen vereinheitlicht, die Ergebnisse aller Disziplinen einbezogen und internetfähige Benutzeroberflächen erstellt werden.

4.2 Messtechnik / Messsysteme
Wassersäule: Eine wesentliche Zielrichtung der Entwicklung ist die Verbesserung der räumlichen und zeitlichen Auflösung bei der Datengewinnung. Insbesondere in den raum-zeitlich hochvariablen Regionen der Ostsee besteht immer noch das gravierende Problem des "Untersammelns".
Nährstoffe sollen zunehmend mit autonom registrierenden Systemen an den Messnetzstationen und bei Oberflächenregistrierungen vom Schiff erfasst werden. Großer Nachholbedarf besteht bei der Entwicklung und Einführung von chemischen Sensoren.

Ingesamt wird für Messungen vom Schiff für chemische und biologische Parameter eine Auflösung wie bei den physikalischen Messungen angestrebt. Ansätze dazu sind z.B. Visualisierungsverfahren in der unmittelbaren Umgebung von Sonden und Probenahmesystemen (Online-Video) und optische Sensoren an CTD-Sonden. Profilierenden Systemen wird ein hoher Stellenwert zukommen. An ihrer Weiterentwicklung zur verbesserten Erfassung kleinräumiger Veränderungen im Bereich vertikaler Gradienten wird gearbeitet (z. B. Seegangsgedämpfte Windensysteme, Fluidschläuche, Lichtleiter).

Die räumliche Dichte der Datenerfassung wird durch geschleppte ADCP's und multivalente CTD-Systeme (undulierender Scanfish, Pump-CTD, neue Sensorik und Datenübertragungstechniken) in Kombination mit biooptischen und chemischen Sensoren sowie Probennehmern und Pumpsystemen weiter erhöht.

Satellitendaten (SST, Phytoplankton, Trübung) liefern durch die steigende Zahl von Sensoren und ihrer verbesserten spektralen und räumlichen Auflösung großflächige synoptische Aufnahmen und Zeitserien räumlich und zeitlich hoch variabler Strukturen. Sie werden durch Prozessstudien, Langzeitdatenanalysen und den operativen Einsatz auf Expeditionen insbesondere bei Extremsituationen weiter an Bedeutung zunehmen. Verfügbare Satellitendaten werden weiterhin kontinuierlich bearbeitet, durch optische Messungen validiert und archiviert. Diese Daten dienen auch zukünftig zur interdisziplinären Anwendung und Validation von Simulationen biogeochemischer Modellierung.

Die Infrastruktur der MARNET-Stationen soll durch chemische Sensoren, in-situ-Analysenautomaten und Probensammler erweitert werden. Die technischen Entwicklungen machen es möglich, neben den aufwendigen Feststationen (MARNET) kleine Verankerungen mit profilierenden Meßsystemen einzusetzen. Die Entwicklung von effektiven Methoden gegen das Biofouling ist dabei von großer Bedeutung.

Autonom arbeitende Probennahmegeräte in der Wassersäule und am Sediment sollen in Zukunft über die vorgegebene Zeitsteuerung hinaus mit einer Ereignissteuerung (Salz, Trübung, Fluoreszenz) ausgestattet werden, um plötzliche Ereignisse besser zu erfassen.

Sediment: Für Sediment- und Benthosuntersuchungen ist eine möglichst störungsfreie Probenahme die wichtigste Voraussetzung, die z.B. durch Vibrationstechnik, Schwere- und Kolbenlote nicht unbedingt gegeben ist. Insbesondere für grobkörnigere und festere Sedimente, aber auch bei weichen Sedimenten wird die Entwicklung neuartiger Technologien zur Entnahme von Sedimentkernen ein Schwerpunkt der künftigen methodischen Arbeiten sein.

Für sedimentphysikalische Messungen zeichnen sich zwei Entwicklungen ab: a) hochauflösende Profilierungsverfahren für die effektive Erkundung der jüngsten Ablagerungen in Schelf- und Flachwassergebieten und b) die Entwicklung von Verfahren zur in-situ Messung physikalischer Eigenschaften von Sedimenten in Schelf- und Flachwassergebieten.

4.3 Wissenstransfer: Küstenmeere und Gesellschaft
Diese inhaltliche Querschnittsaufgabe hat in den letzten Jahren an Bedeutung zugenommen. Sie ergibt sich sowohl aus internen IOW-Spezifika als auch aus externen Entwicklungen. Die enge Verflechtung im IOW von Grundlagenforschung und Monitoring, das auch die Erstellung von ökologischen Zustandseinschätzungen der Ostsee für die HELCOM-Administration einschließt, beinhaltet den permanenten Transfer von wissenschaftlichen Grundlagenkenntnissen zur Interpretation der Überwachungsdaten und zur Verbesserung der Methodik. Umgekehrt sind die Langzeitdaten des Monitorings ein wertvoller Fundus für wissenschaftliche Fragestellungen.
Von außen verlangen Umweltdirektiven vermehrt solide wissenschaftliche Grundlagen für sinnvolle Entscheidungen. Beispiele solcher Anforderungen an die Wissenschaft durch politische Rahmenbedingungen sind die EU-Wasserrahmenrichtlinie, die sich abzeichnenden Entwicklungen zu einer marinen Raumordnung oder die Ausweisung von marinen Schutzgebieten.

Die besondere Bedeutung dieser Querschnittsaufgabe besteht in der Zusammenfassung von vorhandenen Kenntnissen, wissenschaftlichen Ergebnissen aus den Forschungsschwerpunkten, Modellierung und Methodenentwicklung zu aggregierten Informationen für potentielle nichtwissenschaftliche Nutzer. Wie in den wissenschaftlichen Ansätzen soll auch hier geprüft werden, inwieweit die für die Ostsee abgeleiteten Ansätze in anderen Küstenmeeren anwendbar sind.

Wissenschaftliche Beiträge zu Umweltproblemen
Aus den Zielen des Forschungsprogrammes wird deutlich, dass in der quantitativen Beschreibung von Struktur, Funktion und Belastbarkeit mariner Ökosysteme noch erhebliche Lücken bestehen. Es ist daher eine besondere Herausforderung, den potentiellen Nutzern auf dem jeweiligen Stand des Wissens hilfreiche wissenschaftliche Informationen zu vermitteln. Aus den vorhandenen und im Forschungsbereich antizipierten Erkenntnissen kann das IOW wissenschaftliche Grundlagen zu den folgenden Problemkreisen liefern:

Eingriffe in küstennahe Sedimentationsgeschehen: Folgen baulicher Eingriffe in das Küstensystem und in loci Perturbationen der marinen Sedimente (Dredgen, Baggergutverklappung, Konstruktionen) können abgeschätzt werden. Eine Weiterentwicklung der Modellierung zum Sedimenttransport und dessen Auswirkung auf das Ökosystem werden diese Abschätzung erheblich verbessern. Eine besondere Herausforderung stellt in der nächsten Zukunft die geplante Installation von Windparks dar, deren kumulative Effekte und deren Reichweite bis heute noch nicht abgeschätzt werden können.

Eutrophierung: Stoffbilanzen, einschließlich der Quantifizierung der Quellen und Senken, können für einige Substanzen großräumig approximiert werden. Erste Abschätzungen der Reaktionszeiten des Ökosystems auf Veränderungen der anthropogenen Frachten liegen vor. Die Rolle der Sedimente für die Stoffflüsse ist jedoch nicht genügend bekannt. Eine differenzierte Betrachtung der Sedimente bezüglich ihrer biogeochemischen Eigenschaften und ihrer Reaktion auf veränderliche externe Antriebe ist angestrebt und wird bessere Quantifizierungen der internen Stoffflüsse und ihrer Reaktion auf anthropogene Frachten zulassen.

Schadstoffe: Eine zuverlässige Quantifizierung der Massenbilanzen für Schadstoffe wird angestrebt. Gezielte Prozessstudien, wie z.B. intensivierte Sedimentuntersuchungen werden die quantitativen Aussagen zur Auswirkung von Emissionsveränderungen verbessern. Die Bioverfügbarkeit und ihre Wirkung auf Organismen wird durch die neuen Bioassay- und Biomarkeransätze erheblich genauer erfasst werden können. Ein großer Vorteil ist hierbei, dass Schädigungen von Organismen im sublethalen Bereich erkannt werden können.

Artenveränderungen: Eine Voraussage, welche eingeschleppten Arten sich in der Ostsee erfolgreich ansiedeln, wird nach wie vor nicht realisierbar sein. Aussagen zu ihrem Einfluss im Ökosystem sind dagegen möglich. Ein Problem wird weiterhin auch die Vorhersage von Massenvermehrungen giftiger Algen bleiben. Auslösende Faktoren für Veränderungen sind teilweise bekannt, jedoch ist die gesamte Kausalkette vom externen Antrieb bis zur Einwirkung auf die Organismen wenig verstanden. Zu den Auswirkungen von Artenveränderungen auf Nahrungsketten und Stoffkreisläufe werden aus dem vorgelegten Forschungsprogramm bessere Aussagen erwartet.

Vermittlung von Indikatoren für Umweltveränderungen: Aus der Forschung können Variablen ermittelt werden, die Informationen über Phänomene liefern, die über die eigenen Eigenschaften der Variablen hinausgehen. Diese Variablen sind geeignet als Indikatoren für Veränderungen im marinen Ökosystem. Ein einfaches Beispiel ist die Secchi-Tiefe.

Vorhersagen von zukünftigen Entwicklungen im Ökosystem: Kurzfristige Vorhersagen im Rahmen der Wettervorhersage zu Einzelaspekten (wie Ausbreitung von Flussfahnen, Verdriftung von Algen- und Ölteppichen) sind bereits heute sehr zuverlässig. In Katastrophenfällen wie Tankerhavarien oder Hochwasser-Ereignissen können sie oft einen zentralen Beitrag zur wissenschaftlichen Bewertung der Unglücksfolgen bieten. Die Wahrscheinlichkeit von Prognosen zu längerfristigen Entwicklungen als Reaktion auf Klimaschwankungen und anthropogene Einwirkungen, sowohl individuell als kollektiv, kann nur schrittweise gesteigert werden.

Kommunikation mit potentiellen Nutzern
An die Kommunikation mit potentiellen Nutzern (Umweltagenturen, HELCOM, Administrations- und Entscheidungsgremien verantwortlich für Formulierung und Implementierung von Umweltmaßnahmen, allgemeine Öffentlichkeit) sind durch die Vorläufigkeit von wissenschaftlichen Ergebnissen und die schwer abschätzbare Wahrscheinlichkeit von Vorhersagen besondere Anforderungen gestellt. Die Beschreibung der Unsicherheiten darf bei dieser Kommunikation nicht unterschlagen werden, wie bisher häufig geschehen. Daher müssen die Kommunikationsmittel sorgfältig gewählt werden.
Eine Form der Kommunikation sind sicherlich die "What-If" Szenarien, abgeleitet aus Bilanzen und Simulationen mit numerischen Modellen. Die Prognostizierung von Entwicklungen im Ökosystem und die Risikoeinschätzung von Eingriffen in das marine System müssen jedoch probabilistisch bewertet werden. Die bisherigen Simulationstechniken sollten durch Einbeziehung stochastischer/geostatistischer Modelle ergänzt werden.
Die Fülle von Informationen sowohl aus Messung und Beobachtung als auch aus der numerischen Modellierung sollte und kann nur unter Verwendung geeigneter Informationssysteme kommuniziert werden. Die "klassischen" 3D-Geoinformationssysteme werden durch 4D-Systeme ergänzt. Karten, die Verteilungen, deren Veränderlichkeit und simulierte Szenarien abbilden, befördern die Kommunikation erheblich. Zusätzlich wird die Nutzung der weiter fortschreitenden Entwicklung von Recherche- und Visualisierungsstrategien sich positiv auswirken.

Die Kommunikation mit der allgemeinen Öffentlichkeit ist die Aufgabe der Öffentlichkeitsarbeit am IOW. Hier gilt es, neue Erkenntnisse zur Funktionsweise mariner Ökosysteme über die Medien oder direkt über eigene Vortrags- und Präsentationsveranstaltungen der Allgemeinheit zu vermitteln. Durch enge Zusammenarbeit mit Lehrerinnen und Lehrern soll der jeweils aktuelle Wissenstand in den Unterricht einfließen. Das IOW wird dazu die bereits erfolgreich praktizierte Kombination aus Lehrerweiterbildungsveranstaltungen und Spezialvorträgen für Schulklassen anbieten. Zu den "Hauptnutzern" des Ökosystems Ostsee gehören Touristen. Ihnen die neuesten Erkenntnisse der Ostseeforschung nahe zu bringen, ist auch weiterhin ein Anliegen des IOW.

aktualisiert: 09.01.2003

Fragen und Anregungen zu dieser Seite an: barbara.hentzsch@io-warnemuende.de