Ozeanfarbe

Engl. ocean colour, franz.couleur de l'océan; 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.
Bei der Fernerkundung von Wasserinhaltsstoffen wird deren Eigenschaft genutzt, daß sie die aus dem Wasser rückgestreute Sonnenstrahlung im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich verändern. 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.

Instrumente, welche die Strahlungsintensität bestimmter Wellenbereiche messen (Radiometer) beobachten an Bord von Satelliten 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 phantastischen Farbdarstellungen der Ozeanfarben.

Gegenüber punktuellen Wasserproben erlauben Fernerkundungsdaten die Erfassung räumlicher Zusammenhänge und die Darstellung der hohen räumlichen Variabilität von Wasserinhaltsstoffen. Allerdings können die ermittelten Daten über die Chlorophyll-Konzentration keine Aussage machen über die Verteilung der verschiedenen Arten des Phytoplankton.

Zu den Sensoren, die satellitengestützt die Ozeanfarbe messen, gehören MERIS, MODIS, MOS, SeaWiFS, VIIRS. Informationen zu den Sensoren und Bildbeispiele bietet die International Ocean Colour Coordinating Group.

Das Beispiel Golfstrom

Das wahrscheinlich herausragendste ozeanographische Merkmal des westlichen Nordatlantik ist der Golfstrom (Nordatlantikstrom). Der nördliche Rand dieser Strömung ist im folgenden Bild deutlich erkennbar mit Hilfe des Chlorophyll-Feldes, das vom Instrument SeaWiFS am 3. April 2003 aufgenommen wurde.

Während seines nordöstlichen Strömungsverlaufs bildet der Golfstrom Mäander, die gelegentlich abreißen. Auf der Nordseite der Strömung bilden sie dann im Uhrzeigersinn verlaufende Ringe mit warmem Kern und auf der Südseite Ringe mit kaltem Kern, die entgegen dem Uhrzeigersinn rotieren. Ringe mit kaltem Kern haben höhere Chlorophyll-Konzentrationen (und niederere Oberflächentemperaturen) als das umgebende Wasser, einige Exemplare sind in diesem Bild erkennbar. Die Kaltwasserringe bilden sich eher im östlichen Teil der Strömung und wandern dann allmählich nach Südwesten. Von einigen hat man berichtet, dass sie bis zu zwei Jahren erkennbar waren.

Am 11. Mai 2002 gab ein klarer Himmel den Blick frei für das SeaWiFS-Radiometer auf die hoch produktiven Gewässer vor der Ostküste der USA und Kanadas. Die folgenden alternierenden Bilder sind aus den gleichen Rohdaten abgeleitet, wurden aber auf verschiedene Weise verarbeitet.

Das erste Bild ist ein quasi Echtfarbenbild, bei dem die roten, grünen und blauen Spektralbänder des Sensors für die roten, grünen und blauen Komponenten des Bildes verwendet wurden. Das zweite Bild ist eine Pseudo-Farbwiedergabe der Chlorophyll-Konzentration an der Meeresoberfläche, die über das Quasi-Echtfarbenbild gelegt wurde. Es ist leicht erkennbar, dass das Chlorophyll-Bild mehr über die Komplexität dieses Teils des Atlantiks aussagt.

Die Ansicht des zweiten Bildes zeigt die hohe Chlorophyll-Konzentration über der Georges Bank und im Gulf of Maine, welche die reiche Phytoplanktonpopulationen dokumentieren, die die Basis der Nahrungskette für den Großteil dieser Ökosysteme bilden. Südlich der nördlichen Grenze des mäandrierenden Golfstroms nimmt die Chlorophyll-Konzentration rasch ab. Östlich der Georges Bank hat sich ein Mäander in einen großen Ring mit warmem Kern abgelöst.

Ozeanfarbe im Bereich des Golfstroms II Quelle: NASA

Gründe für die Messung der Ozeanfarbe:

• Untersuchungen der Kohlenstoffbindung und des Kohlenstoffkreislaufs im Ozean
• Informationen über den Wärmehaushalts der oberen Ozeanschichten
• Fischereimanagement
• Planungsfragen der Küstenzonen
• Kartierung der Chlorophyllkonzentration
• Messung der inhärenten optischen Eigenschaften wie Absorption und Rückstreuung
• Bestimmung von Physiologie, Phänologie und funktionellen Gruppen des Phytoplanktons
• Überwachung von Ökosystemveränderungen infolge des Klimawandels
• Kartierung von Korallenriffen, Seegraswiesen und Kelpwäldern
• Kartierung von Flachwasser-Bathymetrie und Meeresbodenarten für militärische Operationen
• Überwachung der Wasserqualität für Erholungszwecke
• Erkennung von schädlichen Algenblüten und Verschmutzungsereignissen

Weitere Informationen:

• Ocean Color Web (NASA, GSFC)
• International Ocean Colour Coordinating Group - Startseite
• IOCCG - On-line tutorials and training modules (IOCCG)
• Ocean Color - Operational Products (NOAA)
• Wie entsteht die Farbe des Meerwassers? (Siegel, H. IOW)
• How optically diverse is the coastal ocean? (Mélin, F. und Vantrepotte, V. 2015)
• Ableitung von Wasserinhaltsstoffen und Aerosolen im optischen Spektralbereich (DLR)
• African dust leads to large toxic algal bloom (NASA)
• Ocean Colour Instruments (The Earth Observation Handbook Rio+20)
• What are Phytoplankton? (NASA)
• Why Ocean Colour? - The Societal Benefits of Ocean-Colour Radiometry (IOCCG)
• Ocean color (NASA EarthData)