Arbeitspaket 3 - Beobachtung & Analyse


Das übergeordnete Ziel des Teilprojekts 3 „Beobachtung und Analyse“ ist die Erfassung der physikalischen, ozeanographischen, biogeochemischen und ökosystemaren Veränderungen an den jeweiligen Reallaborstandorten. Bei den Reallaborstandorten handelt es sich um tidal und saisonal beeinflusste Gebiete. Durch die Konzeption und den Betrieb von Beobachtungssystemen, die räumlich und zeitlich hochaufgelöste Daten der Küstenzone inklusive des angrenzenden Küstenmeeres bereitstellen, können die Veränderungen an diesen Standorten feinskalig aufgezeichnet werden. Dies ist unabdingbar, um den Effekt von Maßnahmen im Rahmen des ökosystemstärkenden Küstenschutzes verstehen und beurteilen zu können.

Der Begriff Beobachtungssysteme umfasst in diesem Zusammenhang den integrierten Einsatz von Sensorik, die einerseits über einen längeren Zeitraum im Feld installiert ist, als auch andererseits kurzfristig im Rahmen von zusätzlichen Messkampagnen eingesetzt wird. Die Etablierung der Beobachtungssysteme bezieht dabei auch lokale Akteure ein, deren Akzeptanz und Unterstützung essentiell für die erfolgreiche Umsetzung von onlinefähigen Messsystemen sind.

Die gewonnenen Beobachtungsdaten werden zu sogenannten Umweltzustandsbildern zusammengefasst, die eine Gesamtbeurteilung des jeweiligen Reallabors darstellen. Darauf aufbauend kann untersucht werden, wie variabel dieses Zustandsbild im Jahresverlauf ist und inwiefern sich der Zustand infolge von Störungen (z.B. Sturmfluten) ändert. Die Messdaten des Beobachtungssystems und die Umweltzustandsbilder sind die Grundlage für das Gesamtprojekt, insbesondere Teilprojekt 2 und 4.

Seegatten als Reallabor

Ein Untersuchungsgebiet und Reallabor für GKN ist die Insel Spiekeroog. Diese bietet durch das Spiekerooger Küstenobservatorium (Spiekeroog Coastal Observatory – SCO) eine bereits gut ausgebaute Forschungsinfrastruktur. Die Seegatten westlich und östlich der Insel, die eine Verbindung zwischen der offenen Nordsee und dem Wattenmeer herstellen  bieten sich im Projekt GKN für die Untersuchung von Buhnen als Küstenschutzmaßnahmen an (Abbildung 1). Im Vergleich zum östlichen Seegat „Harle“ (zwischen Spiekeroog und Wangerooge ist das westliche Seegat „Otzumer Balje“ (zwischen Langeoog und Spiekeroog) zwar recht naturbelassen und nur durch einige kleine (< 100 m) Buhnen am Westende Spiekeroogs geschützt. Dennoch ist das Ökosystem durch „harte“ anthropogene Küstenschutzmaßnahmen (Buhne, Deckwerke, Lahnungen, Flutmauern, etc.) (über-)prägt.

 

 

 

Abbildung 1. Die Seegatten Otzumer Balje (A) und Harle (B), westlich bzw. östlich der Barriereinsel Spiekeroog. In der Harle befindet sich ein massives Buhnenbauwerk (Buhne H).

Wangerooge hat hingegen eine noch stärker ausgebaute Buhnenlandschaft, bei der die längste Buhne (Buhne H) 1460 m in das Seegat Harle hineinreicht. Dieses Bauwerk verändert die natürliche Strömungsdynamik des Seegats und sorgt für eine tiefe Rinne und Auskolkungen entlang der Buhne selbst. Der Buhnenbau auf Wangerooge hilft seit den 1930er Jahren, dass der hochwasserfreie Strand in Wangerooges Westen nicht weiter abgetragen wird und die Rinne der Dove Harle sich nicht mehr verlagert. Der Bau der Buhne H wurde nach einer Bauunterbrechung im zweiten Weltkrieg nicht vollendet. Die Buhne soll aber in naher Zukunft weiter baulich verändert werden. Durch diese Umstände der baulichen Maßnahme und der deutlichen Unterschiede in den Begebenheiten der Seegatten rund um Spiekeroog eignet sich dieses Gebiet für eine Untersuchung im Rahmen des GKN Vorhabens. Ein Um- und Ausbau und die damit vielfältig verbundenen Auswirkungen der „neuen“ Buhne H auf das Ökosystem können somit besser erfasst und ggf. vorhergesagt werden.

Für die Bestandsaufnahme und die unterschiedlichen wissenschaftlichen Fragestellungen wurden in den letzten Jahren mehrere Messkampagnen mit den Forschungsbooten Navicula, Otzum, Egidora, sowie dem Forschungskutter Senckenberg durchgeführt. Hierzu wurden Transekte, ein festes Stationsmuster und Dauermessstationen abgefahren bzw. beprobt, was in Abbildung 2 dargestellt ist. Es wurden Wasserproben für analytische und biogeochemische Untersuchungen genommen sowie Sedimente mittels Greifer beprobt. An Dauermessstationen wurden ozeanogrphische Daten sowie Proben über einen Tidenzyklus gemessen und beprobt.

Abbildung 2. Messkampagnen in den Seegaten Otzumer Balje  und Harle, sowie nördlich der Inseln in der offenen Nordsee und südlich im Rückseitenwatt. Die Symbolik wird in der Bildlegende erklärt.

Sedimente

Die oberflächennahen Sedimente, also die lockeren Ablagerungen am Meeresboden, sind eine vielfältige Informationsquelle für Transport-, Ablagerungs- und Strömungsprozesse, sowie die biologische Vielfalt in der Umwelt. Die während der Messkampagnen gewonnenen sedimentologischen Proben, werden auf ihre Korngrößenverteilung und ihre Zusammensetzung untersucht. Die Korngrößenverteilung kann beispielsweise dazu genutzt werden, um Transportprozesse nachzuvollziehen. Denn feinkörniges, leichtes Material benötigt eine geringere Strömungsgeschwindigkeit und -energie um transportiert zu werden. So wird feinkörniges Material auch meist über weite Strecken und zum Teil in der Wassersäule transportiert. Gröberes, schweres Material hat eher kurze Transportwege entlang des Meeresbodens. 

Da einige marine Organismen, wie Muscheln und Schnecken harte Schalen aus Kalk ausbilden, bleiben diese auch nach ihrem Tod erhalten und tragen so zur Sedimentbildung bei. Ebenfalls lagern sich Pflanzenreste, Kotpillen und Überreste von Seeigeln, Fischen und Krebsen in den Sedimenten ab. Die Zusammensetzungen von biologischem und anorganischem Material, wie Quarz- und Flintkörner, geben Aufschluss über die biologische Vielfalt in der direkten Umgebung, dem Eintrag von Land und das relative Alter des Sediments. Durch den Grad der Rundungen der Sedimentkörner, durch Bewegung werden die Körner rund gschliffen, und die Erhaltung der Schalen und der Überreste kann auf die Transportweite und -länge geschlussfolgert werden.

Am Beispiel des Seegats Harle soll geklärt werden wie sich langjähriger Küstenschutz, in Form der Buhne H, auf die Sedimentologie und die Morphologie auswirkt (Geßner et al., 2023, in review). Eine anschließende Kombination mit Strömungsuntersuchungen gibt Aufschluss über den Sedimenttransport. Das besondere an der Harle, ist die halbtägige Tide, die zu einer regelmäßigen Umkehrung der Strömungsrichtungen führt und so nördlich, wie südlich der Buhne H Einfluss auf die Morphologie hat. 

Erste Ergebnisse zeigen, dass die Buhne einen starken Einfluss auf die Strömungsdynamik und damit auch auf den Sedimenttransport, Ablagerungs- und Erosionsbereiche hat. So gibt es Bereiche im direkten Umfeld der Buhne, in denen es durch eine veränderte und verstärkte Strömung zu Erosion kommt. Ebenfalls haben sich Ablagerungsbereiche gebildet, die aufgrund von Strömungsgeschwindigkeitsunterschieden entstanden sind. Rinnen und Sandrücken konnten so entstehen und trennen in der Harle die zwei Hauptrinnen Harle und Dove Harle.  Durch einen Vergleich mit der Otzumer Balje zeigt sich, dass diese Bodenformen nicht natürlichen Ursprungs sind, da in der Otzumer Balje nur eine Rinne vorherrscht und diese an der breitesten Stelle ein subaquatisches Dünenfeld, also Unterwasserdünen, hat. Die Sandrücken, die zu einer geringen Wassertiefe in der Harle führen, verhindern die Bildung solcher Dünen und es können nur kleine Rippel und Megarippel entstehen.

Diese ersten Ergebnisse führen zu weiteren Fragestellungen, die im Verlauf des Projekts Gute Küste Niedersachsen geklärt werden sollen. Darunter die saisonale Varianz der Seegatten Otzumer Balje und Harle und wie sich hier Sturmflutereignisse in den Daten abbilden. Ebenfalls wird ein genauerer Blick auf die Schwermetallbelastung gelegt werden und den Partikeltransport in den Seegatten.

Benthos - Bewohner des Meeresbodens als Indikatoren

Das Benthos bezeichnet die Lebensgemeinschaften in und auf dem Meeresboden. Die Endofauna, welche den größten Teil der benthischen Fauna ausmacht, lebt eingegraben im Meeresboden und besteht hauptsächlich aus wirbellosen Tieren wie zB. Borstenwürmern, Flohkrebsen, Muscheln und Schnecken. Die Epifauna hingegen lebt auf dem Meeresboden und wird durch größere Organismen charakterisiert, wie zB. Seesterne, Strand- und Schwimmkrabben, und auch demersale Fische.

Benthos-Organismen sind gute Indikatoren für Veränderungen in marinen Ökosystemen, da sie kaum mobil sind und somit schädlichen Umwelteinflüssen nur schlecht ausweichen können. Weiterhin sind sie ein wichtiges Verbindungsglied zwischen benthischen und pelagischen Prozessen und dienen als Nahrungsquelle für verschiedene Fisch- und Vogelarten.

Die Makrofauna in der Otzumer Balje wurde bereits im März und September 1998 von Reiss & Kröncke (2001) mithilfe eines Van-Veen-Bodengreifers beprobt. Die Ergebnisse zeigten, dass Unterschiede in der Hydrodynamik und der Sedimentzusammensetzung innerhalb des Seegats für die Ausbildung von drei verschiedenen Makrofauna-Gemeinschaften sorgen: Eine Gemeinschaft auf schlickigem Sediment, eine Gemeinschaft auf sandigem Sediment und eine „Übergangsgemeinschaft“.

Da das Wattenmeer in den letzten Jahrzehnten verschiedenen anthropogenen Einflüssen ausgesetzt war, wie z.B. einem Anstieg der Meeresoberflächentemperatur um ca. 1,5 °C seit den frühen 1980er Jahren, Eutrophierungsprozessen mit anschließender De-Eutrophierung ebenfalls seit den späten 1980er Jahren und einem anhaltenden Anstieg des Meeresspiegels, ist es wahrscheinlich, dass diese Veränderungen auch einen Einfluss auf die benthischen Gemeinschaften der Otzumer Balje haben.

Daher wurden die Stationen von Reiss & Kröncke (2001) im März und September 2022 erneut beprobt, um herauszufinden, ob und wie sich die Makrofauna-Gemeinschaften verändert haben. Erste Ergebnisse aus dem Vergleich von März 1998 und März 2022 zeigen, dass die drei bereits von Reiss & Kröncke (2001) definierten Gemeinschaften nach wie vor vorhanden sind, sich ihre räumliche Ausbreitung allerdings in den letzten zwei Jahrzehnten verändert hat. Dies geht mit einer veränderten Sedimentzusammensetzung in der Otzumer Balje einher: Während in den zentralen Bereichen des Seegats der Schlickgehalt abgenommen hat, hat er in den östlichen Bereichen zugenommen. Es ist wahrscheinlich, dass die Veränderungen der Sedimentzusammensetzung mit den Veränderungen in den Benthos-Gemeinschaften zusammenhängen.

Befliegungen

Für unsere wissenschaftlichen Fragestellungen im gesamten GKN-Konsortium sind bildgebende Messungen wichtig, um Veränderungen dokumentieren und analysieren zu können. Durch Befliegungen unserer Reallabore erfassen wir vor Ort Küstenlinien, Morphologie, Topographie, Geologie und Vegetation aus der Vogelperspektive. Dafür nutzen wir das Forschungsflugzeug der Arbeitsgruppe AG Fernerkundung der Jade Hochschule Wilhelmshaven, wobei die Koordination in Wilhelmshaven am ICBM liegt. Aus dem Bildmaterial erstellen die Kollegen der Universität Hannover sog. Orthofotos, entzerrte und georeferenzierte Luftbilder. Diese Fotos liefern dann Aussagen z.B. über Hochwasserlinien zu angenommenen Sturmflutszenarien, Küstenentwicklung, Vegetationsentwicklung, Sedimentation oder auch Dünenwanderung.

 

Kernbestandteile

Ansprechpartner

Dr. Helge-Ansgar Giebel
helge.a.giebel@uol.de
phone: +49 (0) 441 / 798 – 8184
fax: +49 (0) 4421 / 944 – 140

Institut für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM)
Schleusenstraße 1
D-26382 Wilhelmshaven

Beteiligte Personen