Wie ein mathematisches Modell hilft, Hintergründe über die Prozesse am Meeresboden zu erfahren
Backstage am Meeresboden
von Lisa Bohlen
Mit Meeresforschung verbinden die meisten Menschen das Arbeiten auf Forschungsschiffen oder in Laboren. Allerdings findet Wissenschaft nicht nur dort, sondern auch vor Computerbildschirmen statt. Die Doktorandin Lisa Bohlen berichtet, wie man mit Hilfe eines mathematischen Modells hinter die Kulissen des Meeresbodens schauen kann: ein „Backstage“-Bericht.
- Ein Blick auf Lisa Bohlens Arbeitsplatz
[Der folgende Artikel entstand im Rahmen des Workshops
„Populärwissenschaftliches Schreiben für Doktoranden“ der Integrated School
of Ocean Sciences (ISOS).]
Ein längliches Büro im zweiten Stock eines Bürogebäudes mit Blick auf die Kieler Förde. An einem der vier Schreibtische sitzt eine junge Frau, umringt von Papierstapeln und Fachbüchern, und starrt gebannt auf den Bildschirm ihres Computers. Der Lüfter ihres PCs arbeitet auf Hochtouren und surrt gleichmäßig im Hintergrund.
Lisa Bohlen ist seit einem Jahr Doktorandin am IFM GEOMAR, dem Leibniz-Institut für Meereswissenschaften an der Universität Kiel. Gemeinsam mit anderen Wissenschaftlern aus ihrer Arbeitsgruppe beschäftigt sich die 26-jährige mit Ablagerungen auf dem Meeresboden, sogenannten marinen Sedimenten. Doch im Gegensatz zu ihren Kollegen auf den Forschungsschiffen oder im institutseigenen Labor muss sie ihren Schreibtisch nicht verlassen, um den Sedimenten auf den Grund zu gehen. Sie benötigt hierfür nur den surrenden Computer, denn: Lisa Bohlen ist Modelliererin.
„Modellieren hat in diesem Fall allerdings nichts mit Ton und Töpfern zu tun, sondern meint vielmehr die theoretische Untersuchung von Prozessen mithilfe eines Computer-Modells“, erklärt sie. Das Modell bildet mit Hilfe mathematischer Formeln virtuell diejenigen Prozesse ab, die auch real am Meeresboden stattfinden. Dies sind einerseits der Transport von Sedimentkörnern und dem Wasser zwischen diesen Körnern - zum Beispiel durch Diffusion oder durch Tiere wie Würmer. Andererseits handelt es sich um chemische und biologische Reaktionen. Um die Prozesse im realen Sediment möglichst genau simulieren zu können, nutzt Lisa Bohlen am und im Meeresboden gemessene Daten. „Diese Daten sind vor allem die Konzentrationen chemischer Elemente in verschiedenen Tiefen des Sediments“, erzählt Bohlen.
Nun kann man sich die Frage stellen: Wieso soll man Prozesse überhaupt in einem Sediment modellieren, wenn heutzutage die Konzentrationen als auch einige biologische und chemische Reaktionen direkt durch Messungen erfassbar sind? „Zum einen können nicht immer alle Parameter gemessen werden, da die Analysen zum Teil sehr teuer und zeitaufwendig sind. Zum anderen kann ein Modell mehr als nur Messdaten wiedergeben. Es hilft, Rückschlüsse auf die für die gemessenen Daten verantwortlichen Prozesse zu ziehen. Erst die Kombination von Messdaten und Modell macht es möglich das gesamte System ‚Sediment‘ zu verstehen“, erklärt sie. „Modellierung ist sozusagen ein Blick hinter die Kulissen, ein Aufenthalt im Backstage-Bereich des Meeresbodens“, beschreibt Bohlen.
Das Interesse der Doktorandin gilt aber nicht etwa der Kieler Bucht direkt vor ihrem Fenster, sondern den Sedimenten vor der Küste von Peru. „Im äquatorialen Pazifik vor Peru findet man eine der größten Regionen sauerstoffarmen Wassers, eine sogenannte Sauerstoffminimumzone“, erzählt sie. Sauerstoff ist nicht nur für uns Menschen, sondern auch für die meisten Meeresbewohner eine Lebensgrundlage. Der im Meerwasser gelöste Sauerstoff wird an der Wasseroberfläche aus der Luft aufgenommen und durch Strömungen auch in größere Tiefen transportiert. Verbraucht wird der Sauerstoff beim Abbau von abgestorbener Biomasse (zum Beispiel in Form von Algen) durch Bakterien. Wenn über einen längeren Zeitraum in einer Region mehr Sauerstoff im Meerwasser verbraucht als nachgeliefert wird, entwickelt sich eine Sauerstoffminimumzone.
Im Sonderforschungsbereich „Klima – biogeochemische Wechselwirkungen im tropischen Ozean“ untersuchen die Wissenschaftler unter anderem den Einfluss der Konzentration von Sauerstoff auf den Stickstoffkreislauf am Meeresboden. Stickstoff ist neben Phosphor einer der wichtigsten Nährstoffe für das Wachstum von Algen. „Wenn Stickstoff in einer biologisch verwertbaren Form aus dem Meeresboden freigesetzt wird, kann dies zu einem verstärkten Algenwachstum führen“, erklärt Bohlen. Wird mehr Biomasse in Form von Algen produziert, kann auch mehr Biomasse von Bakterien konsumiert werden. Dabei verbrauchen die Bakterien Sauerstoff aus dem sie umgebenden Wasser. Die Freisetzung reaktiven Stickstoffs aus dem Sediment kann deshalb zu einem erhöhten Sauerstoffverbrauch im Wasser führen. „Um die Ausdehnung einer Sauerstoffminimumzone beurteilen zu können, ist es wichtig zu wissen, ob und in welcher chemischen Form Meeressedimente Stickstoff abgeben können“, berichtet die Nachwuchsforscherin.
Um dieser Frage auf den Grund zu gehen, haben Wissenschaftler Ende 2009 eine Expedition in die Gewässer vor Peru unternommen. Auf dem Forschungsschiff METEOR nutzten sie zwei Methoden, um den Stickstoffkreislauf am Meeresboden zu studieren: Einerseits erfassten sie direkt am Meeresboden, ob und in welchem Ausmaß ein Sediment Stickstoff freisetzt oder aufnimmt. Anderseits analysierten sie die Konzentrationen von Stickstoff und anderen chemischen Elementen im Sediment, um die Änderung ihrer Konzentrationen mit der Sedimenttiefe festzustellen.
Die Arbeit der Doktorandin beginnt allerdings erst mit einer dritten Methode: „Mit den Daten über die Tiefenverteilung der Konzentrationen in den Sedimenten, und der Aufnahme bzw. Abgabe von Stickstoff als Basis entwickele ich ein Modell“, erzählt die junge Forscherin. Die Aufgabe der Modelliererin im Projekt ist es, jene Prozesse herauszuarbeiten, die verantwortlich für die gemessene Aufnahme oder Abgabe von Stickstoff sind. Dazu überlegt sie sich, welche Reaktionen wichtig sein und wovon sie abhängen könnten, um eine mathematische Formulierung dafür zu finden und sie ihrem Modell „beibringen“ zu können.
„Das Schöne am Modellieren ist, dass man nachdem die gemessenen Daten als Basis vorliegen Ideen einfach ausprobieren kann und die Experimente kein Labor mehr brauchen oder gar ein Schiff vor Peru“, erläutert sie. Wenn nach einigem Überlegen und Ausprobieren die Messungen von Konzentrationen im Sediment und Stickstoffaufnahme oder -abgabe mit dem Modell wiedergegeben werden können, hat Lisa ihr Ziel erreicht: „Ich kann dann beurteilen, welche Prozesse in diesem Sediment wichtig sind, wovon sie abhängen und wie sie auf Änderungen, zum Beispiel niedrigere Sauerstoffkonzentrationen oder höhere Temperaturen, reagieren. Denn erst wenn man die Hintergründe verstanden hat, kann man die Reaktion der Sedimente in Sauerstoffminimumzonen auf den Klimawandel vorhersagen.“
Mit dieser Art Modelle hilft die Doktorandin, ein kleines Puzzleteil zum Verständnis der Sauerstoffminimumzonen beizusteuern. Die Kombination verschiedener Disziplinen wie Mathematik, Chemie und Biologie und das Zusammenbringen von Messdaten und Abstraktion, um natürliche Vorgänge zu erklären, faszinieren die Modelliererin. Auch in Zukunft wird sie versuchen, komplizierte Zusammenhänge zu entschlüsseln, ohne dabei den Überblick über das Gesamtsystem zu verlieren. „Vielleicht wird es ja eines Tages noch was mit Germany’s Next Top Model, wenn auch nicht bei Heidi Klum, sondern in einem Computer an IFM GEOMAR“, sagt sie und lächelt.
