12.10.2020 13:41

Forschungsprojekte, Kooperationen

Einmaliger Blick in die „neue Arktis“: Internationale MOSAiC-Expedition erfolgreich beendet

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Der Fesselballon von TROPOS und Uni Leipzig während des Polarsommers im Einsatz auf der Eisscholle bei MOSAiC in der Arktis.. | Quelle: Christian Pilz, TROPOS | Copyright: Christian Pilz, TROPOS | Download

Polarstern während des Polarwinters bei MOSAiC in der Arktis. | Quelle: Hannes Griesche, TROPOS | Copyright: Hannes Griesche, TROPOS | Download

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Forschende vom TROPOS und der Universität Leipzig leisten Beitrag zum Gelingen der größten Arktis-Expedition

Bremerhaven/Leipzig. Mit der Rückkehr der Polarstern ist die größte Arktis-Expedition aller Zeiten erfolgreich zu Ende gegangen. Über ein Jahr war der deutsche Forschungseisbrecher dabei in 5 Etappen mit über 400 Personen aus 20 Ländern unterwegs, um das Epizentrum des Klimawandels präziser zu erforschen, als es jemals zuvor möglich war. Zum Abschluss der rund 140 Millionen Euro teuren Expedition hat das Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI), ein positives Fazit gezogen: Trotz aller unvorhersehbaren Schwierigkeiten sei es gelungen, das Wissen zum Klimasystem der Erde und dessen Veränderungen um einen entscheidenden Schritt voranzubringen.
Auch aus Leipziger Sicht war das komplexe Vorhaben erfolgreich: Alle 7 Teilnehmer vom Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) und der Universität Leipzig sind gesund und mit wertvollen Klimadaten zurück. Zwei für die Erforschung der arktischen Atmosphäre zentrale Messprogramme konnten trotz Wetterextremen und Corona komplett durchgeführt werden: Ein Mehrwellenlängen-Lidar hat während der gesamten Expedition die Luftschichten über der Polarstern gescannt. In 369 Tagen gingen dabei 640 Millionen Laserpulse in den Himmel und es kamen 112 Gigabyte Daten zusammen. Im Juli konnte das MOSAiC-Atmosphärenteam mit einem Fesselballon die unterste Luftschicht über der schmelzenden Eisscholle vermessen. In einem knappen Zeitfenster gelangen 33 Ballon-Aufstiege, bei denen insgesamt 31725 Meter Seil auf- und abgerollt wurden. Die Ballonmessungen von TROPOS und Universität Leipzig sind besonders wichtig für das Verstehen der polaren Atmosphäre während der Schmelzphase, weil die ursprünglich parallel geplanten Messungen mit Flugzeugen von Spitzbergen aus wegen der Corona-Pandemie auf Herbst verschoben werden mussten.

„Wir sind froh, dass die ambitionierten Pläne trotz aller Schwierigkeiten im Wesentlichen verwirklicht werden konnten. Ein Highlight sind definitiv die Einblicke in die Troposphäre am Nordpol während des Winters mit unserem Lidar. Soweit nördlich hat das während der Polarnacht vor MOSAiC noch niemand beobachten können“, sagt Prof. Andreas Macke, Direktor des TROPOS. Die Auswertung der Daten läuft noch auf Hochtouren, aber es deutet sich an, dass für die Atmosphäre ähnliches gilt wie für das Eis am Boden: „Viel spricht dafür, dass sich auch die Atmosphäre der Arktis bereits deutlich verändert hat. Wir haben mehr Rauch gesehen als erwartet. Die gewaltigen Waldbrände wirken sich offenbar bis in die Polargebiete aus. Auch diese einst so ursprünglichen Gebiete scheinen inzwischen im ‚Pyrozän‘ angekommen zu sein.“ Bis konkrete Ergebnisse vorliegen, wird es aber noch Monate dauern, in denen die Daten geprüft, analysiert und diskutiert werden müssen bis sie schließlich publiziert werden können. „Dass wir über ein komplettes arktisches Jahr sowohl die Atmosphäre als auch die Energiebilanz am Boden vermessen haben, wird sehr zum Verständnis der arktischen Erwärmung beitragen“, ergänzt Macke.

Momentan überwiegt die Freude, dass Mensch und Technik die Strapazen gut überstanden haben. Auch bei Dr. Ronny Engelmann, Wissenschaftler und Laser-Experte vom TROPOS, der für die Fernerkundungsmessungen im Rahmen des OCEANET-Projektes auf Polarstern verantwortlich ist: „Es war faszinierend, die Arktis im Winter zu erleben und in einer Region sein dürfen, in der um diese Jahreszeit bisher nur wenige Menschen gewesen sind. Als Wissenschaftler bin ich froh, dass unsere Geräte dank guter Pflege durch meine Kollegen ein Jahr lang durchgehalten und auch die extreme Kälte der Polarnacht mit Temperaturen bis zu -40 Grad Celsius ohne Ausfälle überstanden haben. Die Erfahrungen aus den letzten zehn Jahren, in denen unserer OCEANET-Container auf der Polarstern mitfährt, waren dabei eine große Hilfe. Ohne stabile Technik hätten wir nie erfahren, was an Staubschichten über die Arktis hinweggezogen ist“, blickt Physiker Engelmann zurück. Das Lidar war vom 28.09.2019 bis 02.10.2020 ohne nennenswerte Ausfälle im Betrieb. Dafür haben auf den fünf Fahrtabschnitten Dr. Ronny Engelmann, Hannes Griesche, Martin Radenz, Julian Hofer und Dr. Dietrich Althausen gesorgt, die zum Teil bis zu vier Monate unterwegs waren. Auch wenn die Fernerkundungsinstrumente überwiegend automatisch laufen, brauchen sie regelmäßige Pflege: Die Blitzlampen, die die Laserpulse abgeben, mussten zum Beispiel fünfmal gewechselt oder 60 Liter flüssiger Stickstoff bei jeder Kalibrierung des Mikrowellenradiometers ausgetauscht werden. Zusammen mit anderen Instrumenten wie Strahlungsmessgeräten, Wolkenkamera, Niederschlagsmesser und Photometer am OCEANET-Messcontainer vom TROPOS kamen insgesamt über eineinhalb Terrabyte Daten zusammen und es wurden rund 60.000 kWh Strom verbraucht.

Während die Fernerkundungsinstrumente auf dem Vordeck der Polarstern praktisch die ganze Expedition laufen konnten, hatten die Teams auf dem Eis jeweils nur ein kurzes Zeitfenster zur Verfügung, das möglichst effektiv genutzt werden musste. Das Ballon-Team vom TROPOS und der Universität Leipzig konnte insgesamt 37 Tage auf dem Eis arbeiten. Dank Unterstützung aus anderen Teams gelangen dabei 33 Ballon-Aufstiege, in dem der BELUGA-Fesselballon von der Größe eines Linienbusses bis zu einer Höhe von 1500 Metern über dem Eis Aerosol-Partikel, Strahlung und meteorologische Parameter messen konnte. Zum mehrfachen Auffüllen des Ballons wurden 474 Kubikmeter Helium verbraucht und es mussten bis zu 6 Meter tiefe Löcher für die Eisanker in das tauende Eis gebohrt werden. „Unsere Zeit auf dem Eis war kurz, aber intensiv. Die vielen Schmelztümpel und die häufigen Eisbärenbesuche verlangten uns viel Improvisation ab. Durch die Unterstützung des gesamten MOSAiC-Teams konnten wir aber auch schwierige Situationen meistern. Damit waren die Ballonmessungen auch eine große Gemeinschaftsleistung von einem tollen Team, an das ich mich noch lange gerne erinnern werde“, fasst Christian Pilz vom TROPOS zusammen. Die Vertikalprofile, die Pilz zusammen mit den Strahlungsmessungen seines Kollegen Michael Lonardi von der Universität Leipzig aufgezeichnet hat, werden wichtige Einblicke in die untere Atmosphäre der sommerlichen Arktis liefern. So konnte das Team beispielsweise Temperaturen von 14 Grad Celsius in 300 Metern Höhe registrieren obwohl am Boden die Temperatur nur knapp über dem Gefrierpunkt lag. Ohne solche Vor-Ort-Messungen wäre es nicht möglich, den Einfluss der Luftschichten am Boden auf das tauende Meereis abzuschätzen.

Ursprünglich war geplant, im Frühsommer die bodennahe Atmosphäre über der MOSAiC-Eisscholle per Fesselballon und die höheren Schichten per Flugzeug zu untersuchen. Durch die Corona-Pandemie waren jedoch zu diesem Zeitpunkt keine Flüge via Spitzbergen möglich. Versorgung und Personalaustausch mussten mit Forschungsschiffen aus Deutschland organisiert und die Flugzeugkampagne auf September verschoben werden. „Die Messungen mit dem Leipziger Fesselballon sind daher wichtige In-Situ-Aerosol-Messungen bei MOSAiC in dieser für das Klima in der Arktis sehr prägenden Luftschicht“, unterstreicht Andreas Macke vom TROPOS. „Als Atmosphärenforscher freut mich ganz besonders, dass das Ballon-Experiment zum zweiten Mal nach 2017 gelungen ist und sehr wertvolle Daten geliefert hat.“

Im September 2020 waren im Rahmen von MOSAiC die deutschen Forschungsflugzeuge Polar 5 und Polar 6 des AWI als erste ausländischen Flugzeuge auf Spitzbergen seit dem Corona-Lockdown zu mehreren Messflügen vom Flughafen Longyearbyen aus in die zentrale Arktis gestartet, um die Atmosphäre zu untersuchen: „Mit den umfangreichen Messungen zur Strahlung und den Partikeln wollen wir herausfinden, wie sich die Wolken in der Arktis auf die Erwärmung am Boden auswirken. Die Arktis hat sich in den letzten Jahren so stark erwärmt wie keine andere Region der Erde. Die Rückkopplungsmechanismen dabei sind sehr komplex und noch nicht ausreichend verstanden. Dieses Wissen ist aber essentiell, damit die Klimamodelle in der Lage sind, auch für die Region um den Nordpol abzuschätzen, wie schnell sich das Klima dort verändern wird“, erklärt Prof. Manfred Wendisch von der Universität Leipzig, der auch Sprecher des Sonderforschungsbereichs „Arktische Klimaänderung“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) ist. Zum Verbund gehören die Universitäten in Bremen, Köln und Leipzig sowie das AWI in Bremerhaven und TROPOS in Leipzig. Ziel des Forschungsverbundes ist es, den dramatischen Klimawandel in der Arktis mit verschiedenen Methoden zu beobachten, um die Verlässlichkeit von Modellen zu verbessern und genauere Vorhersagen zur weiteren Erwärmung in der Arktis zu ermöglichen. Die MOSAiC-Expedition wird dazu einen bedeutenden Beitrag leisten und von den Verbund-Partnern in den kommenden Monaten intensiv ausgewertet werden.

„Ich bin sehr glücklich über den guten Verlauf und den vollen Erfolg der MOSAiC-Expedition. Wir liefern mit ihr die so dringend benötigen Klimadaten und Beobachtungen, die die Menschheit für drängende tiefgreifende politische Entscheidungen zum Klimaschutz benötigt“, sagte Prof. Markus Rex, Expeditionsleiter und Leiter des MOSAiC-Projekts vom Alfred-Wegener-Institut, dem Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung, zum Finale der Jahrhundertexpedition. „Wir haben gesehen, wie das Eis der Arktis stirbt. Im Sommer war es von der Wärme selbst direkt am Nordpol völlig aufgeschmolzen und erodiert. Wenn wir die Klimaerwärmung nicht sofort und massiv bekämpfen, wird das arktische Eis im Sommer bald verschwunden sein, mit unabsehbaren Folgen für Wetter und Klima auch bei uns. Im Winter ist die zentrale Arktis zwar auch heute noch eine faszinierende, tief gefrorene Landschaft, aber das Eis ist nur noch halb so dick wie vor 40 Jahren und unsere Temperaturen lagen im Winter fast durchgehend zehn Grad höher, als sie Fridtjof Nansen in seiner bahnbrechenden Arktisexpedition vor gut 125 Jahren erlebt hat.“

Am 20. September 2019 war die Polarstern vom norwegischen Hafen Tromsø in die zentrale Arktis aufgebrochen und damit mitten ins Epizentrum des Klimawandels. Dort ließ sie sich im Eis einfrieren und es begann eine einjährige Drift mit dem Eis über die Polkappe, vollständig den Kräften der Natur ausgeliefert – ihre Route und Geschwindigkeit bestimmte allein die Drift des Eises, getrieben von Wind und Strömung. Insgesamt 442 wissenschaftliche Fahrtteilnehmende, Polarstern-Crewmitglieder, Nachwuchsforschende, Lehrkräfte und Medienschaffende waren während der fünf Expeditionsabschnitte dabei. Sieben Schiffe, mehrere Flugzeuge sowie mehr als 80 Institutionen aus 20 Ländern beteiligen sich. Die wissenschaftlichen Teilnehmenden der Expedition hatten 37 unterschiedliche Nationalitäten. Ihr gemeinsames Ziel: die komplexen Wechselwirkungen im Klimasystem zwischen Atmosphäre, Eis und Ozean zu erforschen und besser in Klimamodellen darzustellen. Ein Jahr lang haben sie außerdem das Leben in der zentralen Arktis untersucht. Jetzt kommen sie voller Eindrücke aus der sich wandelnden Arktis zurück, mit einem einmaligen Datenschatz, dessen Auswertung und Analyse eine ganze Generation von Klimaforschenden beschäftigen wird.

Aus Leipziger Sicht wird die nächste umfangreiche Messkampagne in der Arktis die „HALO-(AC)³“-Mission mit den deutschen Forschungsflugzeugen HALO und Polar 6 im Frühjahr 2022 sein. Der Fesselballon BELUGA wird hingegen schon im Spätsommer 2021 – sofern es die Pandemiebedingungen erlauben – wieder in den Himmel der Arktis aufsteigen. Diesmal allerdings von festem Boden im Forschungsdorf Ny-Ålesund auf Spitzbergen aus. Tilo Arnhold

Kontakte für die Medien:

Beteiligung von TROPOS an MOSAiC-Expedition:

Prof. Dr. Andreas Macke
Direktor des TROPOS
Tel. +49 341 2717-7060
http://www.tropos.de/institut/ueber-uns/mitarbeitende/andreas-macke/

Dr. Ronny Engelmann/ Hannes Griesche/ Martin Radenz/ Julian Hofer/ Dr. Dietrich Althausen sowie Dr. Albert Ansmann
TROPOS-Lidar-Team
Tel. +49 341 2717-7315, -7401, -7369, -7336, -7063, -7064
https://www.tropos.de/institut/ueber-uns/mitarbeitende/ronny-engelmann
https://mosaic-expedition.org/profile/hannes-griesche/
https://dacapo.tropos.de/index.php/team/9-tropos/3-martin-radenz
https://www.tropos.de/institut/ueber-uns/mitarbeitende/julian-hofer
https://www.tropos.de/institut/ueber-uns/mitarbeitende/dietrich-althausen
https://www.tropos.de/institut/ueber-uns/mitarbeitende/albert-ansmann

Christian Pilz sowie Dr. Birgit Wehner & Dr. Holger Siebert
TROPOS-Ballon-Team
Tel. +49 341 2717-7390, -7309, -7145
https://mosaic-expedition.org/profile/christian-pilz/
https://www.tropos.de/institut/ueber-uns/mitarbeitende/birgit-wehner
https://www.tropos.de/institut/ueber-uns/mitarbeitende/holger-siebert

oder
Tilo Arnhold, TROPOS-Öffentlichkeitsarbeit
Tel. +49 341 2717-7189
http://www.tropos.de/aktuelles/pressemitteilungen/

Beteiligung der Universität Leipzig an MOSAiC-Expedition:

Prof. Dr. Manfred Wendisch
Sprecher des Transregios und Direktor Leipziger Institut für Meteorologie der
Universität Leipzig
Tel. +49 341 97-32851
http://www.ac3-tr.de/project-member/prof-dr-manfred-wendisch/
oder
Susann Huster
Pressereferentin
Medienredaktion der Universität Leipzig
Tel. +49 341 97-35022
https://www.uni-leipzig.de/universitaet/struktur/verwaltung-und-stabsstellen/stabsstelle-universitaetskommunikation/

MOSAiC-Expedition allgemein:

Dr. Folke Mehrtens
Pressereferentin
Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung
Tel. +49 471 4831-2007
Email: media@mosaic-expedition.org
https://www.awi.de/nc/ueber-uns/organisation/mitarbeiter/folke-mehrtens.html
&
Dr. Ulrike Windhövel / Dr. Katharina Weiss-Tuider
+49 471 / 4831-2008 / +49 331 / 288-2180
Kommunikationsmanager MOSAiC
Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung
https://mosaic-expedition.org/news/press/
https://www.awi.de/nc/ueber-uns/organisation/mitarbeiter/ulrike-windhoevel.html
https://www.awi.de/nc/ueber-uns/organisation/mitarbeiter/katharina-weiss-tuider.html

Weitere Informationen und Links:

Leipziger Beteiligung an MOSAiC
https://www.tropos.de/mosaic/

MOSAiC-Blog (auf Deutsch)
https://follow.mosaic-expedition.org/

MOSAiC-Expedition (auf Englisch)
https://www.mosaic-expedition.org/
MOSAiC-Expedition (auf Deutsch)
https://www.awi.de/im-fokus/mosaic-expedition.html

DFG-Transregio 172 „Arktische Klimaveränderungen“ (auf Englisch)
http://www.ac3-tr.de/
DFG-Transregio 172 „Arktische Klimaveränderungen“ (auf Deutsch)
http://www.ac3-tr.de/wp-content/uploads/2016/06/flyer_de_web.pdf

Melpitz4MOSAiC 2019 - Melpitz Winter 2019 probt für Arktis Sommer 2020:
https://www.tropos.de/aktuelles/messkampagnen/blogs-und-berichte/melpitz4mosaic-2019

Polarstern-Expedition PS106.1 / PASCAL / ACLOUD (2017)
https://www.tropos.de/aktuelles/messkampagnen/blogs-und-berichte/polarsternfahrt-ps106-2017/

Frühere Pressemitteilungen zum Thema:

Das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft, die 96 selbständige Forschungseinrichtungen verbindet. Ihre Ausrichtung reicht von den Natur-, Ingenieur- und Umweltwissenschaften über die Wirtschafts-, Raum- und Sozialwissenschaften bis zu den Geisteswissenschaften. Leibniz-Institute widmen sich gesellschaftlich, ökonomisch und ökologisch relevanten Fragen.
Sie betreiben erkenntnis- und anwendungsorientierte Forschung, auch in den übergreifenden Leibniz-Forschungsverbünden, sind oder unterhalten wissenschaftliche Infrastrukturen und bieten forschungsbasierte Dienstleistungen an. Die Leibniz-Gemeinschaft setzt Schwerpunkte im Wissenstransfer, vor allem mit den Leibniz-Forschungsmuseen. Sie berät und informiert Politik, Wissenschaft, Wirtschaft und Öffentlichkeit.
Leibniz-Einrichtungen pflegen enge Kooperationen mit den Hochschulen - u.a. in Form der Leibniz-WissenschaftsCampi, mit der Industrie und anderen Partnern im In- und Ausland. Sie unterliegen einem transparenten und unabhängigen Begutachtungsverfahren. Aufgrund ihrer gesamtstaatlichen Bedeutung fördern Bund und Länder die Institute der Leibniz-Gemeinschaft gemeinsam. Die Leibniz-Institute beschäftigen rund 20.00 Personen, darunter 10.000 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler.
Der Gesamtetat der Institute liegt bei mehr als 1,9 Milliarden Euro. Finanziert werden sie von Bund und Ländern gemeinsam. Die Grundfinanzierung des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und dem Sächsischen Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst (SMWK) getragen. Das Institut wird mitfinanziert aus Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landtag beschlossenen Haushaltes.
http://www.leibniz-gemeinschaft.de
https://www.bmbf.de/
https://www.smwk.sachsen.de/

Originalpublikation:
Special issue: Arctic mixed-phase clouds as studied during the ACLOUD/PASCAL campaigns in the framework of (AC)3 (ACP/AMT/ESSD inter-journal SI). Editor(s): J. Curtius, J. Kay, M. Shupe, J. Heintzenberg, A. Solomon, T. Vihma, V. Walden, and K. Law. Special issue jointly organized between Atmospheric Chemistry and Physics, Atmospheric Measurement Techniques, and Earth System Science Data
https://amt.copernicus.org/articles/special_issue10_971.html
Die Untersuchungen wurden gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG, grant no. 268020496 – TRR 172).

Weitere Informationen:
https://www.awi.de/ueber-uns/service/presse.html

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Leibniz-Institut für Troposphärenforschung e. V.

Tilo Arnhold

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