3. Schädliche Algenblüten

Fenerkundung zur Detektion und Verfolgung von Algenblüten

Die Überwachung und Vorhersage von Algenblüten im Meer ist in den letzten Jahren immer wichtiger geworden, da sie zunehmend als potentielle Bedrohung wahrgenommen werden. Insbesondere im Bereich der Verwaltung natürlicher Ressourcen und im Gesundheitswesen werden zuverlässige Methoden benötigt, um schädliche Algenblüten zu detektieren und zu beobachten, um gegebenenfalls effektive Maßnahmen ergreifen zu können.

Wasserprobennahme von einem Forschungsschiff aus.
Foto: U.S. Department of Energy, Office of Science

Messungen, die von einem Forschungsschiff aus durchgeführt werden, sogenannte In-situ (an Ort und Stelle) Datenerhebung, ist sehr nützlich um verschiedene Algenarten zu differenzieren. Wenn aber Informationen über die Größe oder die Entwicklung einer Algenblüte benötigt werden, ist diese Methode nicht kosteneffektiv.

Wie funktioniert das?

Der größte Vorteil der Fernerkundung ist die große räumliche und zeitliche Auflösung. Das bedeutet, dass großflächige, von Algenblüten betroffene Gebiete untersucht werden können und dass die Bewegung der Algenblüte durch die Analyse mehrerer Bilder, die zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommen wurden, erfolgen kann.

Ein Vergleich der beiden Bilder unten zeigt, dass sich die Chlorophyllkonzentration im Meer innerhalb einer Woche ändern kann. Die Bilder geben den relativen Chlorophyllgehalt im Meer wieder, von blau und grün (niedrig) bis rot und gelb (hoch).

Chlorophyllkonzentration in der Nordsee und der Skagerrak Region abgeleitet aus Daten des MERIS Sensors. Daten aus dem Zeitraum 12.03. - 29.03.2009 (7 Tage)
Quelle: NERSC / ESA

Chlorophyllkonzentration in der Nordsee und der Skagerrak Region abgeleitet aus Daten des MERIS Sensors. Daten aus dem Zeitraum 16.03. - 23.03.2009 (7 Tage)
Quelle: NERSC / ESA

Chlorophyllkonzentration in der Nordsee und der Skagerrak Region abgeleitet aus Daten des MERIS Sensors. Daten aus dem Zeitraum 16.03. - 23.03.2009 (left) and 22.03. - 29.03.2009 (right).
Quelle: NERSC / ESA

Die Beobachtung von Algenblüten basiert vornehmlich auf der Messung von Meeresfarbe. Die optische Fernerkundung macht sich die Tatsache zunutze, dass die Pigmente der Algen die Farbe des Meerwassers stark beeinflussen.

Im offenen Ozean werden Variationen der Wasserfarbe ausschließlich durch Phytoplankton verursacht.

In küstennahen Bereichen sind die optischen Eigenschaften des Meerwassers komplexer. Hier wird die Meeresfarbe zusätzlich von Schwebstoffen und gelösten organischen Verbindungen beeinflusst, die eine Trübung des Wassers bewirken. Die Schwebstoffe werden durch die Flüsse ins Meer transportiert und hier in Abhängigkeit von den lokalen Windverhältnissen und Meeresströmungen verteilt.

Welche Farbe hat das Meer?

Ihre Antwort ist vermutlich blau und damit liegen Sie natürlich total richtig - für den größten Teil der Meere. Einer der wichtigsten Faktoren für die Farbe des Meerwassers ist aber das Phytoplankton, das Chlorophyll enthält.

Planktonblüte im Golf von Biskaya.
Dieses Envisat Bild zeigt den weitläufigen Golf von Biskaya im Atlantischen Ozean.
Im Zentrum der Bucht entlang der (spanischen und französischen) Küsten sind verschiedene Farbtöne im Meer zu sehen, die sich von dem ansonsten dunklen blau abheben. Diese Farben sind auf eine Planktonblüte zurückzuführen, die durch einen Überschuss an Nährstoffen hervorgerufen wurde.

Quelle: ESA

Die Rechnung ist simpel:

Was messen Satelliten?

Satelliten Sensoren detektieren Licht, das in unterschiedlichen Wellenlängen von der Meeresoberfläche reflektiert wird. Chlorophyllkonzentrationen können von Satellitendaten abgeleitet werden, indem das Blau/Grün-Verhältnis der Meeresfarbe berechnet wird. Je mehr blaue Farbe absorbiert wird, desto mehr grüne Farbe wird reflektiert. Letztere weist auf eine höhere Phytoplanktonkonzentration im Meerwasser hin.

Reflexionsgrad von klarem (blauem) und algenhaltigem (grünem) Wasser (Daten aus Han, 1997).

Im Bereich von Küsten gibt es viele Schwebstoffe im Meerwasser. Hier wird eine andere Methode angewandt, mit Hilfe derer die Chloropyllkonzentrationen auf der Grundlage des Verhältnisses von Rot zu Nahem Infrarot (Rot/NIR) berechnet werden.

Fernerkundung von Algenblüten: Anforderungen und Grenzen

Die optische Fernerkundung kann mit wertvollen (und wunderschönen!) Bildern von Algenblüten aufwarten, wenn einige Kriterien erfüllt sind:

• Keine Wolkenbedeckung
• Die Algenblüte ist Nahe der Wasseroberfläche
• Die Algenblüte bewirkt wahrnehmbare Veränderungen der Meerwasserfarbe

Das Bild unten beispielsweise ist aufgrund der starken Bewölkung über dem Meer kaum geeignet, um Algen im Meer zu detektieren.

Dieses mit dem Medium Resolution Imaging Spectrometer (MERIS) aufgenommene Bild zeigt Irland, ganz uncharakteristisch mit fehlender Bewölkung.
Im August 2003 dominierte ein Hochdruckgebiet die nördlichen Breiten und sorgte für Sonnenschein und intensive Hitze über den Landmassen des Nordens.
On the eastern coast, the emerald colour in the sea corresponds to sediment and perhaps algae welling up in the shallow coastal waters from Greenore point in the south at the mouth of the Barrow River to Dublin Bay in the north at the mouth of the Liffey River. This image was made using bands 7, 5, and 2 of the MERIS instrument, which correspond to visible light and are particularly well adapted to detecting chlorophyll pigments in water.

Source: ESA

Frage:

Nach allem was Sie über die Eigenschaften von Algenblüten und ihrer Beobachtung aus dem Weltraum gelernt haben, was denken Sie: Ist es möglich anhand eines Satellitenbildes zu erkennen, um welche Algenart es sich handelt? Ob sie beispielsweise schädlich ist?

Mehr Informationen zum Thema:

• Eutrophierung
• Eutrophierung in den europäischen Meeren
• Schädliche Algen
• MERIS Meeresfarben-Sensor
• SeaWiFS Meeresfarben-Sensor
• SEOS-Lerneinheit Ocean Colour in the coastal zone
  
• List of current Ocean-Colour Sensors
  (International Ocean Colour Coordinating Group, IOCCG)