Die Grenze zwischen Ozean und Atmosphäre, an der Luft und Meer interagieren, wird als Mikroschicht der Meeresoberfläche bezeichnet. Das Verständnis, wie Nährstoffe, Schadstoffe und organische Stoffe zwischen Luft und Meer ausgetauscht werden, ist auch von entscheidender Bedeutung für ein besseres Verständnis ihrer Rolle bei der Regulierung des Kohlenstoffkreislaufs und des Klimas.
Das Problem besteht jedoch darin, dass die Untersuchung der Mikroschicht an der Meeresoberfläche ein äußerst zeitintensives Unterfangen ist, das viele Herausforderungen mit sich bringen kann.
Um die Wechselwirkungen biogeochemisch wichtiger Bestandteile wie Gase und verschiedene Partikel zwischen Luft und Meer besser zu verstehen, führten Forscher der University of Delaware und der University of Georgia (UGA) kürzlich eine Forschungsfahrt an Bord des Forschungsschiffs Hugh R. Sharp der UD durch, um die Mikroschicht an der Meeresoberfläche im Nordatlantik zu untersuchen.
Das Forschungsteam hatte bereits an zwei Kreuzfahrten teilgenommen, die jedoch aufgrund von stürmischem Wetter und der COVID-19-Pandemie abgebrochen werden mussten.
Andrew Wozniak, außerordentlicher Professor an der School of Marine Science and Policy (SMSP), ist der UD-Projektleiter, während die Projektleiterin für UGA Amanda Frossard ist, außerordentliche Professorin im Fachbereich Chemie der UGA.
Wozniak sagte, die Mikroschicht an der Meeresoberfläche sei eine einzigartige Mikroumgebung.
„Es sammelt organisches Material einer bestimmten Art an und dann gelangt es an die Grenze zwischen Luft und Meer und sammelt sich dort an. Dadurch entstehen interessante physikalische Eigenschaften, die den Austausch von Materialien hin und her beeinflussen“, sagte Wozniak.
„Wir dachten, wenn wir besser verstehen, wie sich die Chemie der organischen Materie aufgrund der Prozesse und der Biologie des Ozeans in Raum und Zeit verändert, dann werden wir auch besser verstehen, wie sich diese Gase austauschen und wie die in die Atmosphäre ausgestoßenen Partikel die Chemie der Atmosphäre beeinflussen können.“
Frossard erläuterte, dass das Forschungsteam an der Untersuchung sogenannter Tenside interessiert sei. Dabei handelt es sich um Verbindungen, die die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit wie Meerwasser verringern und sich aufgrund ihrer Affinität zu Oberflächen und Grenzflächen, wie etwa aufsteigenden Blasen im Ozean, in Oberflächengewässern und der Mikroschicht an der Meeresoberfläche ansammeln.
Eines der Hauptziele des Projekts besteht darin, diese Tenside zu untersuchen und besser zu verstehen.
„Wir wollen verstehen, welche Tenside es im Ozean gibt, wie sie sich in der Mikroschicht verteilen und was ihre Konzentration und Zusammensetzung beeinflusst“, sagte Frossard. „Wir sammeln hier Proben, einige davon verarbeiten wir auf dem Schiff, aber wir bringen sie alle zurück ins Labor, um verschiedene Analysen durchzuführen.“
„Wir werden diese Ergebnisse nutzen, um die Mikroschicht an der Meeresoberfläche zu verstehen und den Gasaustausch zwischen Luft und Meer sowie die Emission von Partikeln aus dem Ozean in die Atmosphäre besser zu verstehen.“
Glasplatten
Die Erforschung der Mikroschicht an der Meeresoberfläche ist alles andere als einfach. Wie die vorherigen Expeditionen zeigten, bei denen es zu unvorhergesehenen Komplikationen kam, erfordert die ozeanografische Arbeit Ausdauer inmitten einer Flut von Herausforderungen.
Für das Experiment führten die Forscher an Bord des Schiffes eine Reihe biologischer und chemischer Analysen durch, für die viel Material benötigt wird.
Die oberflächliche Mikroschicht ist unglaublich dünn, etwa 100 Mikrometer dick, was etwa der Dicke eines Stücks Kopierpapier entspricht. Eine der Methoden, mit denen die Forscher das Material sammeln, besteht darin, eine Glasplatte ins Wasser zu tauchen und dann mit einem Abzieher das an der Platte haftende Wasser in eine Flasche zu kratzen.
„Wie Sie sich vorstellen können, dauert das sehr lange“, sagte Wozniak. „Wir brauchen etwa anderthalb Liter Wasser, und jedes Mal, wenn Sie das tun, sammeln Sie etwa sieben Milliliter.“
In Zusammenarbeit mit der Besatzung an Bord der R/V Sharp – Jon Swallow, Timothy Deering und James Warrington – verfeinerte das Team seine Sammeltechnik, um seine Probenentnahmemethode zu verbessern.
Sie verwendeten einen Rosette-Probenehmer, ein Gerät, das zur Entnahme von Wasserproben in tiefen Gewässern verwendet wird. Diese Art von Probenehmer wird normalerweise mit Flaschen bestückt an der Seite eines Schiffes angebracht, so dass er beim Abtauchen mit Wasserflaschen wieder auftaucht.
Für dieses Experiment bestückten sie die Rosette allerdings mit Glasstücken.
„Wir ziehen den Probenehmer hinten am Boot aus, tauchen ihn ein, heben ihn hoch, bringen ihn wieder an Bord und kratzen dann das Glas ab“, sagte Wozniak. „Wir machen das immer wieder, um genug Wasser für eine Probe zu sammeln. Wir brauchen dafür etwa zwei Stunden und zählen, wie oft wir das machen, damit wir eine Aufzeichnung darüber haben, wie oft wir die Proben nehmen müssen.“
Wozniak sagte, die Idee sei, dass, wenn die Glasplatte ins Wasser sinkt und wieder aufsteigt, das Material an der Oberfläche das letzte ist, was sie berührt. Diese Tensidmoleküle werden von der Glasplatte angezogen und haften daran. Wenn sie herauskommen, ist ein Teil dessen, was abtropft, hauptsächlich das darunter liegende Wasser.
„Sie werden Tensidmoleküle genannt, weil sie die Oberflächenspannung verringern und diese Eigenschaft der Oberflächenspannung die Turbulenz an der Luft-Wasser-Grenzfläche beeinflusst“, sagte Wozniak. „Diese Turbulenz ist ein Schlüsselfaktor dafür, wie Gase hin und her strömen können. Bei stärkerer Turbulenz findet ein stärkerer Materialaustausch statt.“
Zurzeit wird der Austausch von Kohlendioxid beispielsweise anhand der Windgeschwindigkeit quantifiziert, da der Wind die Turbulenzen beeinflusst. Diese Modelle weisen jedoch große Fehlerquoten auf, und man geht davon aus, dass diese Fehler teilweise auf den Einfluss anderer Faktoren wie dieser Tenside zurückzuführen sind.
„Indem wir das vom Glas abgekratzt haben, haben wir diese dünne Schicht verfestigt“, sagte Wozniak. „Das war unsere Lösung, um die Mikroschicht auf der Meeresoberfläche zu untersuchen, und es ist wirklich ein großartiges Beispiel für die Zusammenarbeit zwischen der Schiffsbesatzung und den Wissenschaftlern bei der Lösung einer echten Herausforderung.“
Nachdem die Proben gesammelt waren, führten die Forscher ihre Analysen entweder an Bord des Schiffs oder in den Labors ihrer Heimatinstitute durch.
Zu den an der Kreuzfahrt beteiligten Studenten der UD gehört Felix Agblemanyo, ein Doktorand, der an der School of Marine Science and Policy der UD Ozeanographie studiert, Mitglied von Wozniaks Laborgruppe ist und die Forschung im Rahmen seiner Doktorarbeit durchführte.
Das Forschungsteam der UD wurde komplettiert durch Audrey Tong, eine Studentin an Bord der Expedition, die bei der wissenschaftlichen Arbeit und der Kommunikationsarbeit half, Tia Ouyang, eine Doktorandin und ebenfalls Mitglied des Wozniak-Labors, und Ava Grove, eine Studentin, die zum ersten Mal mit ozeanografischer Forschung in Berührung kam.