Küsten- und Schelfmeere spielen eine zentrale Rolle für Stoffkreisläufe von Nährstoffen und klimarelevanten Gasen sowie für ökologische und sozioökonomische Prozesse. Als Hochproduktionsgebiete beherbergen sie 25% der globalen biologischen Produktivität, stellen 90% der Fischereierträge (besonders wichtig sind hier die Auftriebsgebiete) und bieten andere wertvolle Ressourcen wie Mineralseifen, Öl- und Gasvorkommen. Gleichzeitig sind sie als Übergangsbereiche zwischen Meer und Land zunehmend von anthropogenen Eingriffen betroffen. Insbesondere der Globale Klimawandel wird allen Prognosen nach zu tief greifenden Veränderungen in den Ökosystemen und biogeochemischen Stoffkreisläufen in Küsten- und Schelfmeeren führen.
Auftriebsgebiete sind hochproduktive Ozeanregionen, in denen nährstoffreiches Tiefenwasser in die lichtdurchflutete Zone aufsteigt und eine intensive Primärproduktion induziert. In der Regel sind diese Regionen durch kurze Nahrungsketten (Kieselalgen - algenfressendes Zooplankton - Fische) gekennzeichnet, die aber durch klimatische Effekte und hohen Fischereidruck zu langkettigen, Flagellaten-basierten Nahrungsnetzen mit zum Teil hohen Beständen an gelatinösen Organismen (z.B. Quallen) wechseln können. Im nördlichen Benguela-Auftriebsgebiet vor Namibia hat ein solcher Ökosystemwechsel stattgefunden.
Von zentraler Bedeutung für Struktur und Produktivität mariner Nahrungsnetze ist die zeitliche Verteilung der Phytoplanktonprimärproduktion über das Jahr. In diesem Produktionsregime unterscheiden sich boreale Schelfmeere wie die heimische Nordsee mit ihren ausgeprägten Frühjahrsblüten („mono-gepulste“ Systeme) von subtropischen Auftriebsgebieten mit länger andauernden bzw. sich häufig wiederholenden Produktionsperioden („poly-gepulste“ Systeme). Auf 17 bis 23°S vor Namibia dauert die Phase hoher Produktivität von März bis Oktober.
Die Dramatik und Deutlichkeit der beteiligten Prozesse machen Küstenauftriebsregionen zu idealen Untersuchungsgebieten, um die Geschichte externer Treiber (Klima, Hydrographie) auf Ökosysteme zu erkunden und festzustellen, welche Mechanismen hauptsächlich für die Übertragung des physikalischen Antriebs auf höhere trophische Ebenen verantwortlich sind, und in welcher Weise diese Prozesse die Struktur und Effizienz der Nahrungsnetze beeinflussen.
GENUS ist ein Verbundvorhaben, welches am Beispiel eines großen Küstenauftriebssystems (dem nördlichen Benguela-Auftriebsgebiet; Abb. 1) die Beziehungen zwischen Klimawandel, biogeochemischen Zyklen von Nährstoffen, klimarelevanten Gasen und Ökosystemstrukturen klären und modellierbar machen will. Änderungen im physikalischen Antrieb der Zirkulation wirken in diesem Ökosystem direkt auf Stoffflussmengen und –muster sowie auf Ökosystemstrukturen und -leistungen.
Abb. 1: Ozeanographische Bedingungen im Umfeld des Arbeitsgebiets (rote Box) von GENUS.
Isolinien: klimatologische Oberflächentemperaturen. SECC: South Equatorial Counter Current; SEC: South Equatorial Current; BC: Benguela Current; BCC: Benguela Coastal Current; PU: Poleward Undercurrent; ABFZ: Angola-Benguela Frontal Zone
Vier Themen sollen mit empirischen und theoretischen Untersuchungen im Rahmen des Projekts bearbeitet werden:
Thema 1) Retrospektive Analysen der physikalischen Randbedingungen und biogeochemischen Kreisläufe.
Hauptaufgabe im Rahmen dieses Themas ist die Beschreibung, Analyse und Modellierung vergangener Zustände im physikalischen Antrieb, die Identifizierung typischer Zirkulationsmuster bei gegebenen Extremen im Antrieb sowie die Abschätzung charakteristischer biogeochemischer Zustände und – in der Endphase des Projekts - Ökosystemstrukturen zu Zeiten klimatischer Extreme in der Vergangenheit (retrospektive Analyse).
Thema 2) Klärung der Schlüsselarten/ -raten in Bezug auf physikalische, biogeochemische und biologische Prozesse
Ziel hier ist die Identifizierung wichtiger Komponenten im System, die Klärung nicht verstandener oder unbekannter Prozesse und Raten, um Lücken in bestehenden Modellen zu schließen und Ergebnisse rückschauender Modellexperimente den verfügbaren Beobachtungen anzunähern. Defizite bestehen im Verständnis der Wassermassendynamik, welche die Sauerstoffversorgung des Schelfs regelt; in der Quantifizierung der Regelmechanismen der Nährstoffkreisläufe von N und P im suboxischen/anoxischen Milieu der Wassersäule und des Sediments; in den Prozessen, die die Nährstoffverhältnisse im gealterten Auftriebswasser prägen sowie in der quantitativen Abbildung der aktuellen Ökosystemstruktur.
Thema 3) Parametrisierung und Modellierung der trophischen Beziehungen, Rückkopplung auf biogeochemische Stoffflüsse
Ökologische Prozesse prägen biogeochemische Zyklen auf vielfältige Weise. Die Parametrisierung und Einbindung dieser Mechanismen in bestehende biogeochemische Modelle ist jedoch sehr lückenhaft. Ein „end-to-end“ Ansatz erfordert eine gezielte prozessorientierte Datenerhebung und experimentelle Überprüfung, um zentrale ökologische Prozesse und trophische Interaktionen in einem konsistenten Modellsystem abzubilden und die Auswirkungen von Verschiebungen im Nahrungsnetz und der Struktur der höheren trophischen Ebenen auf biogeochemische Kreisläufe und damit die Folgen des Globalen Klimawandels zu erkennen und abzuschätzen.
Thema 4) Modellierung der Interaktionen Schelfökosystem - Offener Ozean
Atmosphäre Modelle stellen ein Werkzeug dar, um Wechselbeziehungen zwischen den physikalischen, chemischen, biologischen und geodynamischen Komponenten des Systems „Auftrieb“ sowie dessen Abhängigkeit von externen Faktoren (also lokale und globale anthropogene Veränderungen) zu beschreiben und zu quantifizieren. Sie dienen gleichermaßen der Überprüfung und Fortentwicklung unseres Verständnisses der Prozesse, und helfen bei der Klärung von Beziehungen zwischen den Komponenten des Systems.
