Bild des Monats 2016 - 2017

Fahrt 516 mit dem Forschungsschiff “Poseidon”

Text: Maren Walter, Christian Mertens
Photos: Florentina Münzner, Simon Rümmler

Die Fahrt 516 mit dem Forschungsschiff Poseidonist Teil eines interdisziplinären Forschungsprogramms, des Transregio 181 ‘Energy transfers in atmosphere and ocean’ (www.trr-energytransfers.de). Die dreiwöchige Reise im Juli/August 2017 begann und endete in Ponta Delgada auf den Azoren. An Bord waren neun WissenschaftlerInnen und StudentInnen der Universitäten Bremen und Hamburg. Ziel der Fahrt war es, die Energieflüsse interner Gezeiten südlich der Azoren zu messen, die dort an Seamounts entstehen.

Wellen und Strömungen im Ozean werden durch Wind und Gezeiten erzeugt. Diese Bewegungen finden auf allen Skalen statt, von beckenweiten Strömungen bis zu Millimeter großen Verwirbelungen der Turbulenz. Die Wechselwirkungen der unterschiedlichen Bewegungsformen und ihr Energieaustausch sind bisher noch nicht ausreichend genug verstanden. Zum Beispiel erzeugen Gezeiten an Seamounts und Kontinentalabhängen interne Wellen, die sich über hunderte von Kilometern im Innern der Ozeane ausbreiten. Dabei verlieren sie Ihre Energie entlang des Weges durch eine Vielzahl von Prozessen und Wechselwirkungen, aber wie und wo das genau passiert, ist größtenteils unbekannt. Das Projekt W2 dient dazu, diese Ausbreitung und Dissipation von Gezeitenenergie im Innern der Ozeane besser zu verstehen und in Klimamodellen zu berücksichtigen.

Zur Messung der Energieflüsse interner Wellen wurden an einer Reihe von Stationen kurze Zeitreihen der Strömungen und der Dichte gemessen. Jede Station dauerte zwischen 36 und 48 Stunden um halbtägige und ganztägige Gezeiten zu erfassen. Erste Ergebnisse zeigen deutliche Signale interner Wellen mit maximaler Amplitude in 800 m bis 1300 m Wassertiefe, mit vertikalen Exkursionen der Wasserpakete von über 100 m. Um auch eine längere Zeitreihe der Energieflüsse zu bekommen wurde eine Verankerung mit Strömungsmessern und Temperatursensoren ausgelegt. Sie wird auf der nächsten Reise, im Mai 2018, wieder geborgen werden.

Der starke Temperaturanstieg im nördlichen Polarmeer lässt die Grönländischen Gletscher schneller schmelzen. Um die Wechselwirkung zwischen Ozean und den Grönlandischen Gletschern zu untersuchen und die Schmelzwassermengen, die in den Ozean gelangen, zu bestimmen, waren WissenschaftlerInnen der AG Ozeanographie im September und Oktober 2017 an Bord des Forschungseisbrechers Polarstern. Auf dem Grönländischen Schelf vor dem 79-Grad-Nord- und Zacharias-Gletscher haben sie hunderte Wasserproben aus verschiedenen Tiefen des Ozeans genommen. Im Heimatlabor werden als nächstes die Edelgasgehalte (Helium, Neon) gemessen, die direkt darüber Aufschluss geben, wo und wie viel Schmelzwasser sich im Ozean befindet.

Text: Dr. Oliver Huhn, IUP, Bremen
Fotos: Dr. Tilia Breckenfelder, IUP+Marum, Bremen

Forschungsmeile 2017

Auch in diesem Jahr beteiligte sich das IUP wieder an der Forschungsmeile im Rahmen der Maritimen Woche 2017 in Bremen. Am 23. und 24. September wurden an der Weserpromenade „Schlachte“ aktuelle Forschungsthemen der Arbeitsgruppen Physik und Chemie der Atmosphäre, Fernerkundung und Ozeanografie der Öffentlichkeit präsentiert. Die Besucher konnten unter anderem beobachten, wie der IUP-Messwagen vor Ort Messungen der Luftqualität vornahm. Ein besonderer Anziehungspunkt war das „Eiswürfelexperiment“, das die Frage beantwortete: Wo schmilzt ein Eiswürfel schneller, ins Süßwasser oder (salzigem) Meerwasser? Die – eventuell überraschende – Antwort ist übrigens: Im Süßwasser.

Die Erklärung dafür ist folgende: Das kalte Schmelzwasser des Eiswürfels hat eine geringere Dichte, d.h. ist leichter, als das salzige Meerwasser. Daher schichtet es sich über dem Meerwasser ein und hält den Eiswürfel kühl. Im Süßwasser sinkt das kalte Schmelzwasser ab und vermischt sich mit dem wärmeren Süßwasser, das dadurch im direkten Kontakt zum Eiswürfel bleibt und ihn schneller abschmelzen lässt. Ähnlich Schichtungen sind auch in der Arktis zu beobachten: Wärmeres, salzhaltigeres Atlantikwasser wird durch eine Schicht von frischerem Oberflächenwasser vom Meereis isoliert.

Kontakt für mehr Informationen zu diesem Thema:

Gunnar Spreen (gunnar.spreen@uni-bremen.de)

Im Rahmen der diesjährigen Expedition mit dem deutschen Forschungsschiff Maria S. Merian hat die Arbeitsgruppe Ozeanographie am IUP die Untersuchung der Zirkulation und des Wassermassenaustausches im subpolaren Nordatlantik fortgesetzt. Insbesondere sind invertierte Bodendruckecholote (PIES) entlang 47°N von Ost nach West ausgesetzt worden. Die Instrumente sinken zum Ozeanboden herab und messen von dort aus die Schalllaufzeit zur Meeresoberfläche und zurück. Da die Schallgeschwindigkeit von Temperatur und Salzgehalt des Meerwassers abhängt, können diese Größen aus den PIES Daten rekonstruiert werden, ebenso die Dichte des Wassers. Daraus wiederum können Geschwindigkeiten und Transporte im Ozean berechnet werden.

Die Messungen der PIES im Westbecken des Atlantik ermöglichen bereits die Bestimmung der Stärke des Nordatlantikstroms, der warmes, salzreiches Wasser aus den Subtropen nach Norden transportiert und somit auch das Klima in Nordwesteuropa beeinflusst. Dieses Jahr sind erstmals auch PIES im Ostbecken entlang von 47°N ausgelegt worden. Mit deren Hilfe soll auch hier der Austausch von warmen, salzreichen subtropischen und kälteren, salzarmen subpolaren Wassermassen untersucht werden.

Auf der Merianexpedition, die im Mai/Juni dieses Jahres stattgefunden hat, ist die Bremer Ozeanographiearbeitsgruppe von KollegInnen des Bundesamtes für Seeschiffahrt und Hydrographie unterstützt worden. Außerdem haben zwei kanadische DoktorandInnen im Rahmen des Arctrain Programms an der Fahrt teilgenommen.

Global data sets on marine phytoplankton diversity at highest spatial and temporal resolution via the synergistic exploitation of hyper-and multispectral satellite data

Led by the AWI research group PHYTOOPTICS in collaboration with the IUP-UB, the Laboratoire d’Océanographie de Villefranche (LOV), Villefranche, France, and the Plymouth Marine Laboratory (PML), Plymouth, United Kingdom, satellite data products of the biomass (given as chlorophyll-a) of three major phytoplankton groups, namely diatoms, coccolithophores and prokaryotic phytoplankton (also called cyanobacteria), at best have been developed within the project SynSenPFT funded under the ESRIN/ESA within the SEOM (Sceintific Exploration of operational missions) - Sentinel for Science Synergy (SY-4Sci Synergy)" programme. SynSenPFT product are publicly available for the global ocean at daily, 4km x 4km resolution for the entire ENIVSAT mission time and the image shows the SynSenPFT products for the global ocean in September 2006.

To gain knowledge on the role of marine phytoplankton in the global marine ecosystem and biogeochemical cycles, information on the global distribution of major phytoplankton functional types (PFT) is essential. Products representing phytoplankton diversity have been developed by various algorithms mostly applied to multispectral satellite data. However, despite providing a good spatial resolution and coverage, those products are limited to either only indicating size fractions or the dominance of phytoplankton groups and all these products have a strong linkage to a-priori-information because the small number of wavelength bands and the broadband resolution of these sensors provide only limited information on the difference of the phytoplankton absorption structures. Former and current satellite instruments with a very high spectral resolution provide the opportunity for distinguishing more accurately multiple PFTs using spectral approaches as has been demonstrated with the Phytoplankton Differential Optical Absorption Spectroscopy (PhytoDOAS) method (developed by the AWI PHYTOOPTICS group in collaboration with IUP-UB) in the open ocean using hyperspectral satellite data from the sensor “SCanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric CHartographY" (SCIAMACHY). Being originally developed for atmospheric applications, hyperspectral sensors like SCIAMACHY do not provide operational water-leaving radiance products as do ocean color sensors. Since the pixel size of these data is very large (30 km by 60 km per pixel) and global coverage by these measurements is reached only within six days which limits the application of hyperspectral-based PFT data products.

To overcome the short-comings of current multi-and hyper-spectral PFT products the synergistic retrieval of PFT from space from hyper- and multispectral measurements (SynSenPFT) was developed to improve the retrieval of PFTs from space by exploring the synergistic use of low-spatial-hyper-spectral and high-spatial-multi-spectral satellite data. The SynSenPFT algorithm is based on input data of the improved/revised existing PFT algorithms based on hyper- (PhytoDOAS) and multi-spectral (OC-PFT) and then by combining those synergistically to derive PFT products with temporal and spatial resolution as multispectral ocean colour data but using the spectral information from the hyperspectral data. The algorithm principles, sensitivity studies and its thorough validation against a large global in-situ phytoplankton group data set have been published now (Losa et al 2017). This synergistic algorithm can be later applied to produce a synergistic PFT product from hyperspectral sensors Sentinel-5-Precursor, Sentinel-4 and Sentinel-5 and multispectral sensor OLCI on Sentinel-3 to ensure the prolongation of the time series over the next decades.

Further information can be found under:

Losa S., Soppa M. A., Dinter T., Wolanin A., Brewin R. J. W., Bricaud A., Oelker J., Peeken I., Gentili B., Rozanov. V. V., Bracher A., Synergistic exploitation of hyper- and multispectral precursor Sentinel measurements to determine Phytoplankton Functional Types at best spatial and temporal resolution (SynSenPFT). Frontiers in Marine Science Front. Mar. Sci. 4: 203; doi: 10.3389/fmars.2017.00203;

SynSenPFT-webpage:

https://www.awi.de/en/science/climate-sciences/physical-oceanography/main-research-focus/ocean-optics/projects/synsenpft.html

Led by IUP-UB and in collaboration with eight German universities and research centers, the DFG project Effect of Megacities on the transport and transformation of pollutants on the Regional to Global scales, EMeRGe, aims to investigate the regional and global impact of pollutants emitted from European and Asian major population centers (MPC).

The first intensive EMeRGe airborne measurement campaign using the airborne platform HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft) will be carried out from the 10thto the 31st of July 2017 over Europe. After the installation and preparation phases with basis at DLR in Oberpfaffenhofen, a total of 52 HALO flight hours has been allocated for this part of the investigation with particular focus on European target MPC (London, Benelux, Ruhr area, Rome, Po Valley), the Mediterranean and Central Europe within summer events of photochemical interest.

Complementary measurements over Europe from the airborne platforms FAAM (www.faam.ac.uk) and ERA CNR SkyArrow, and from the European lidar and ground base network will be additionally carried out and used for planning and analysis in the framework of the EMeRGe international research partnership.

Further details can be found at www.iup.uni-bremen.de/emerge/

Vertical Colum Densities of NO2 measured above Bucharest on Monday 2014-09-08

Global maps of nitrogen dioxide (NO2) pollution are nowadays routinely produced from data of satellites such as GOME, SCIAMACHY, OMI and GOME-2. A similar instrument installed on an aircraft results in the same type of maps of tropospheric NO2columns, but with a much higher spatial resolution. During the AROMAT (Airborne Romanian Measurements of Aerosols and Trace gases) campaign which took place in Romania in summer 2014, the AirMAP instrument was installed on board of a Cessna operated by the FU Berlin and took such measurements above Bucharest on several days with a spatial resolution of the order of 100m. The image shows an example of the resulting maps , demonstrating the degree of spatial variability found in an area comparable to just a single pixel of a current state of the art satellite instrument. Comparison between measurements taken at different times and on different days also illustrates large temporal variations, underlying the need for geostationary satellites which can provide several measurements per day for the same location.

The AirMAP instrument is an imaging DOAS spectrometer covering either a band in the visible for high sensitivity NO2retrievals, or a spectral range more in the UV enabling simultaneous detection of SO2and NO2, albeit at lower signal to noise ratio. Data analysis employs the Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) method and air mass factors (AMF) based on surface reflectance values derived from the measurements of the AirMAP instrument. Validation of the AirMAP NO2columns with MAX-DOAS measurements from cars operated at the same time during the campaign by the Max-Planck Institute for Chemistry in Mainz and the University of Galati, Romania showed very good agreement, in particular for those measurements for which the time difference was small.

High resolution maps of tropospheric NO2can be used for a variety of applications, including satellite validation, analysis of the representativeness of low spatial resolution observations, emission estimates, and pollution mapping. The AirMAP instrument has already been operated during several other campaigns and it is planned to also employ it for validation of the upcoming Sentinel-5 precursor satellite.

More details can be found in:
Meier, A. C., Schönhardt, A., Bösch, T., Richter, A., Seyler, A., Ruhtz, T., Constantin, D.-E., Shaiganfar, R., Wagner, T., Merlaud, A., Van Roozendael, M., Belegante, L., Nicolae, D., Georgescu, L., and Burrows, J. P.: High-resolution airborne imaging DOAS measurements of NO2 above Bucharest during AROMAT, Atmos. Meas. Tech., 10, 1831-1857, doi:10.5194/amt-10-1831-2017, 2017.

Bremen composite Mg II index

Der Mg II Index ist ein Proxy für die Variabilität der solaren UV Strahlung, die mit der Sonnenaktivität variiert. Neben dem 11-Jahre Zyklus (Schwabe-Zyklus) verändert sich die solare UV Strahlung auch mit der Rotationsperiode der Sonne, die im Mittel etwa 27 Tage beträgt (Carrington-Zyklus). Der Mg II Index korreliert mit der Anzahl der Sonnenflecken, die vom solaren Minimum zum Maximum eines 12-Jahreszyklus zunimmt. Zur Zeit nähern wir uns dem solaren Minimum des nächsten Sonnenzyklus (Zyklus 25). Der Schwabe-Zyklus unterliegt Schwankungen in der Länge (10-12 Jahre) und der Intensität. Das Aktivitätsmaximum des Schwabe-Zyklus 24 (2014/15) war niedriger als die der drei vorherigen Zyklen 21 bis 23.

Der Mg II index wird bei uns aus den täglichen Sonnenmessungen der Satelliteninstrumente GOME, SCIAMACHY, GOME-2A, und -2B seit 1995 abgeleitet. Zusammen mit anderen Satellitendaten kann ein kombinierter Datensatz (´´Composite Mg II Index´´) erstellt werden, der etwa 38 Jahre umfasst (1978-2017) und sich über die Sonnenzyklen 21 bis 24 erstreckt. Diese Zeitserie wird täglich aktualisiert und aktuelle Daten und Bilder sind abrufbar unter http://www.iup.uni- bremen.de/UVSAT/Datasets/mgii.

Die UV Strahlung und deren Variation (Sonnenaktivität) hat einen starken Einfluss auf das stratosphärische Ozon und bestimmt die thermische Struktur der oberen Stratosphäre und beeinflusst damit die globale Luftzirkulation in der oberen Atmosphäre (oberhalb von 20 km).

Entwicklung der von der Sarychev Peak Eruption verursachten Aerosolfahne.

Bilder zeigen monatlich und zonal gemittelte Extinktionskoeffizienten vom stratosphärischen Aerosol bei 750 nm, welche aus der SCIAMACHY Limb-Messungen am IUP Bremen ausgewertet worden (V1.4). Die Aerosolfahne erreicht die Höhe von ca. 21 km.

Juli 2009: ein Monat nach der Eruption von Sarychev Peak (48oN, 153oE; June 11-21, 2009). Moderate Erhöhung der Aerosolextinktionskoeffizienten wird um 50oN Breitengrad beobachtet.

Oktober 2009: Aerosol-Extinktion ist deutlich erhöht, die Aerosolfahne verbreitet sich hautsächlich Richtung Äquator.

Dezember 2009: Aerosol-Extinktion fängt an, zurück zu gehen, die tropische Region ist nahezu zum ungestörten Zustand zurückgekehrt.

Mai 2010: zirka 1 Jahr ach der Eruption, der Aerosolgehalt ist wieder in ungestörtem Zustand südlich von 50oN Breitengrad.

Veränderungen im stratosphärischen Methan 2003 – 2011

Methan (CH4) ist nach Kohlendioxid (CO2) das wichtigste vom Menschen erzeugte Treibhausgas. Es wird in den unteren Luftschichten (der Troposphäre) produziert. Aufgrund seiner langen Lebensdauer kann es dann in größere Höhen (die Stratosphäre) transportiert werden.

Die Abbildung (aus Noël et al., 2016) zeigt die Veränderung des stratosphärischen Methans in mittleren nördlichen Breiten über den Zeitraum 2003 bis 2011, ermittelt aus Sonnenokkultations-Messungen des SCIAMACHY-Instruments auf dem ENVISAT Satelliten. Aus den Daten wurden Monatsmittel bestimmt und von diesen die jahreszeitliche Variation abgezogen. Dies resultiert in den dargestellten „Anomalien“, aus denen sich ungewöhnliche oder längerfristige Veränderungen besser ablesen lassen.

Im konkreten Fall zeigt sich kein genereller Trend in den Methandaten innerhalb des untersuchten Zeitraums. Allerdings ist ein regelmäßiger Wechsel zwischen positiven (rot) und negativen (blau) Anomalien zu beobachten. Diese Variation kann auf Transporteffekte im Zusammenhang mit der sogenannten „quasi-biennial oscillation“ (QBO) zurückgeführt werden, einer Umkehr der stratosphärischen Winde von Ost nach West (und umgekehrt) mit einer Periode von ca. zwei Jahren.

Referenz:

Noël, S., K. Bramstedt, M. Hilker, P. Liebing, J. Plieninger, M. Reuter, A. Rozanov, C. E. Sioris, H. Bovensmann and J. P. Burrows, Stratospheric CH4 and CO2 profiles derived from SCIAMACHY solar occultation measurements, Atmos. Meas. Tech., 9(4), 1485-1503, 2016, doi: 10.5194/amt-9-1485-2016, http://www.atmos-meas-tech.net/9/1485/2016/

Die durch das Wetterphänomen El Niño ausgelösten Dürren in Indonesien im Jahr 2015 führten zu außergewöhnlich vielen Bränden in dieser Region. Verstärkt wurde diese Situation durch menschliche Aktivitäten wie der Brandrodung von Regenwäldern und der Entwässerung von Torfmoorböden. Durch die Brände sind große Mengen des Treibhausgases Kohlenstoffdioxide (CO2) in die Atmosphäre emittiert wurden. Diese Emissionen wurden von Emissionsdatenbanken wie dem Global Fire Assimilation System (GFASv1.2) und der Global Fire Emission Database (GFEDv4s) auf etwa 1100 Mt CO2 für die Zeitperiode von Juli bis November 2015 abgeschätzt, was mehr ist als die gesamte jährliche anthropogene Emission eines Industriestaates wie Deutschland. Diese Emission wurden allerdings indirekt mit Hilfe von Parameteren wie der brennenden Fläche, der Strahlungsleistung des Feuers und Emissionsfaktoren abgeschätzt und nicht direkt mit Hilfe von Messungen der CO2 Konzentration.

In einer kürzlich durchgeführten Studie am Institut für Umweltphysik wurde die CO2 Emission der indonesischen Feuer nun mit Hilfe von Satellitenmessungen der CO2 Konzentrationen abgeschätzt, die von Messungen der Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2) Satellitenmission abgeleitet wurden. Die auf den OCO-2 Messungen basierende CO2 Emission für die indonesischen Feuer in der Zeitperiode von Juli bis November 2015 wird in der Abbildung gezeigt (rote und dunkelrote Säulen im Säulendiagram auf der rechten Seite basieren auf zwei unterschiedlichen Methoden zur Bestimmung der CO2 Emission aus den Satellitendaten) und mit der CO2 Emission der Emissionsdatenbanken (GFASv1.2 in hellgrau und GFED4s in dunkelgrau) verglichen. Es wird außerdem die räumliche Verteilung der CO2 Emissionen basierend auf GFASv1.2 gezeigt. Die mittlere CO2 Emission der indonesischen Feuer von 2015 beläuft sich auf 748±296 Mt CO2, was im Vergleich zu den Emissionsdatenbanken etwa 30% geringer ist. Mehr Details zu dieser Studie können in der Publikation von Heymann et al., 2017, (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2016GL072042/full) gefunden werden.

IUP-UB participation in the CINDI-2 campaign

In September 2016, the Second Cabauw Intercomparison of Nitrogen measuring Instruments (CINDI-2) took place in Cabauw, the Netherlands. This campaign brought together more than 30 groups from all over the world to compare instruments and analysis methods for quantifying tropospheric and stratospheric NO2amounts. Most of the groups performed different versions of Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) measurements using sun light scattered in the atmosphere. The measurements had to follow a strict prescribed protocol and results from a day of measurements were submitted the next morning to a referee who collected them in a semi-blind comparison. The results were presented and discussed during daily meetings but curves were not labelled to keep the comparison semi-blind. A detailed analysis is currently being prepared and will be finalised during a dedicated workshop in April 2017.

During the CINDI-2 campaign, IUP-UB deployed not only a standard 2d-MAX-DOAS instrument and a mobile DOAS instrument mounted on the IUP Messwagen, but for the first time also operated the new Imaging DOAS instrument called IMPACT. This instrument which is a collaboration between the LAMOS and DOAS groups at IUP-UB takes a full vertical scan instantaneously, and scans the azimuthal direction over time. This greatly reduces the time needed for a full hemispherical scan of the atmospheric radiation field to less than 15 minutes. From these measurements, both the horizontal and the vertical gradients of NO2can be retrieved at high temporal resolution. The results could be compared to the retrievals from the 2d-MAX-DOAS instrument and good agreement was found. The instrument will be used for the analysis of pollution plumes and localised emission sources.

Figure: First Comparison of NO2 slant columns derived from the IUP-UB 2d MAX-DOAS instrument (large points) and the IMPACT imaging DOAS instrument. Very good agreement is found with the exception of the lowest viewing angle which is sensitive to the larger field of view of the imaging instrument. The much better temporal resolution of the imaging instrument is apparent which took 11 individual scans during one single scan of the MAX-DOAS instrument. As can be seen from the temporal evolution of the imaging data, the NO2distribution was not constant over the measurements, highlighting the advantage of rapid measurements.

On 15th July 2016, Prof. John P. Burrows was admitted into the
Royal Society together with 59 other new fellows and foreign members in
a formal ceremony known as „Admission Day“. The ceremony is preceded
by a 2-day seminar where the new fellows give a talk about their current
research. The image shows a collage of pictures taken during Admission Day.

Prof. Dr. John P. Burrows FRS
With Venki Ramakrishnan, President of the Royal Society
The new fellows and foreign members for 2016/
Prof. Burrows 5th from the right, top row
4) Prof . Burrows signing the Charter Book.

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