Das ENSO-Phänomen

Ozeanfarbe

Die Ozeanfarbe ist ein Teilgebiet der Meeresoptik, das sich speziell mit der Farbe des Wassers und den Informationen befasst, die sich aus der Betrachtung von Farbvariationen gewinnen lassen. Dieses Forschungsgebiet hat sich parallel zur Wasserfernerkundung entwickelt und konzentriert sich daher hauptsächlich auf die Messung der Farbe durch Instrumente (wie die Sensoren in Satelliten und Flugzeugen).

Der größte Teil des Ozeans ist blau, aber an einigen Stellen ist der Ozean auch blau-grün, grün oder sogar gelb bis braun. Die blaue Farbe des Ozeans ist auf mehrere Faktoren zurückzuführen. Erstens absorbiert Wasser bevorzugt rotes Licht, was bedeutet, dass blaues Licht übrig bleibt und aus dem Wasser zurückgeworfen wird. Rotes Licht wird am leichtesten absorbiert und erreicht daher keine großen Tiefen, in der Regel nicht mehr als 50 Meter. Blaues Licht kann dagegen bis zu 200 Meter tief eindringen. Zweitens streuen Wassermoleküle und sehr kleine Partikel im Meerwasser vorzugsweise blaues Licht stärker als Licht anderer Farben. Die Streuung von blauem Licht durch Wasser und winzige Partikel findet selbst im klarsten Meerwasser statt und ähnelt der Streuung von blauem Licht am Himmel.

Die "Farbe" des Ozeans wird bestimmt durch das Zusammenwirken des einfallenden Lichtes mit im Wasser vorhandenen Substanzen oder Teilchen. Die wichtigsten Bestandteile sind frei treibende, photosynthetische Organismen (Phytoplankton) und anorganische Schwebstoffe. Phytoplankton enthält Chlorophyll, welches Licht im blauen und roten Spektralbereich absorbiert und im grünen Bereich emittiert. Schwebstoffe können Licht reflektieren und absorbieren, was die Klarheit (Lichtdurchlässigkeit) des Wassers reduziert. Gelöste Stoffe können ebenfalls die Wasserfarbe beeinflussen.

Chlorophyll kann durch Satellitenbeobachtungen gemessen werden und dient als Indikator für die Produktivität der Ozeane (marine Primärproduktivität) in den Oberflächengewässern. Auf Langzeit-Satellitenbildern erscheinen Regionen mit hoher Meeresproduktivität in gelber und grüner Farbe, da sie mehr (grünes) Phytoplankton enthalten, während Gebiete mit geringer Produktivität in blauer Farbe dargestellt werden.

Planktonblüten im Südatlantik Ende November 2022 Am 26. November 2022 hat einer der Copernicus Sentinel-3-Satelliten mehrere Phytoplanktonblüten vor der Küste des Falkland/Malvinas-Archipels aufgenommen. In diesem Gebiet des Südatlantiks kann man häufig Planktonblüten beobachten, die sich über Hunderte von Quadratkilometern erstrecken. Diese Blüte hat jedoch bereits eine Ausdehnung von rund 600.000 Quadratkilometern überschritten, ein Wert, der Ende November seit 2008 nicht mehr erreicht wurde. Phytoplanktonblüten sind Indikatoren für die Gesundheit eines marinen Ökosystems. Die Copernicus Sentinel-3-Satelliten überwachen die Wasserqualität der Ozeane mit hoher Frequenz. Quelle: Copernicus

Fernerkundung der Ozeanfarbe

Instrumente, welche die Strahlungsintensität bestimmter Wellenbereiche messen (Radiometer auch Spektrometer oder Spektroradiometer) beobachten an Bord von Satelliten Flugzeugen und Drohnen die Meeresoberfläche. Die gemessene Strahlung kann dann quantitativ in Bezug gesetzt werden zu verschiedenen Bestandteilen der Wassersäule, die mit dem sichtbaren Licht interagieren, wie eben Chlorophyll. Die Chlorophyllkonzentration kann ihrerseits herangezogen werden, um die Menge Kohlenstoff zu bestimmen, die über die Photosynthese in Pflanzen gebunden wird (Primärproduktion). Der Aufnahmepunkt und die, verglichen mit dem menschlichen Auge, empfindlicheren Sensoren führen zu den fantastischen Darstellungen der Ozeanfarben.

Einige Radiometer werden in der Praxis an der Erdoberfläche auf Schiffen oder direkt im Wasser eingesetzt. Andere Radiometer sind speziell für Flugzeuge oder Satellitenmissionen in der Erdumlaufbahn konzipiert. Mit Radiometern messen Wissenschaftler die vom Wasser kommende Lichtenergie in allen Farben des elektromagnetischen Spektrums von Ultraviolett bis Nahinfrarot. Aus diesem reflektierten Spektrum der Lichtenergie oder der scheinbaren "Farbe" leiten die Forscher andere Variablen ab, um die Physik und Biologie der Ozeane zu verstehen.

Aus der Messung der Farbe des Ozeans lassen sich wichtige Informationen ableiten, z. B. die Biomasse des Phytoplanktons oder die Konzentrationen anderer lebender und nicht lebender Stoffe. Die Muster der Algenblüte, die von Satelliten im Laufe der Zeit über große Regionen bis hin zum globalen Ozean erfasst wurden, haben entscheidend zur Charakterisierung der Variabilität mariner Ökosysteme beigetragen. Daten zur Farbe des Ozeans sind ein wichtiges Instrument für die Erforschung der Reaktion von Meeresökosystemen auf den Klimawandel und anthropogene Störungen.

Eine der größten Herausforderungen bei der Fernerkundung von Ozeanfarben ist die atmosphärische Korrektur, d. h. das Entfernen des Farbsignals des atmosphärischen Dunstes und der Wolken, um sich auf das Farbsignal des Ozeanwassers zu konzentrieren. Das Signal des Wassers selbst macht weniger als 10 % des gesamten Lichtsignals aus, das die Erdoberfläche verlässt.