KI gestützte Planktonforschung unter Segeln
Copyright: Eike Schuett/Uni Kiel
Wie lassen sich Veränderungen mariner Mikroalgen mit KI und hochauflösenden Messungen verfolgen? Auf der Ostsee-Expedition des KI-Leuchtturms KIMMCO wurden Messungen im Wasser mit Luftaufnahmen und Satellitendaten verknüpft.
Im Juli startete das Team des KI-Leuchtturmprojekts KIMMCO seine Forschungsreise mit dem Ziel, möglichst viele Informationen über das Phytoplankton der Ostsee zu sammeln sowie Methoden für ein effizienteres, automatisiertes Monitoring zu erproben.
Phytoplankton – mikroskopisch kleine Algen und andere Organismen, die im Wasser schweben – nimmt durch Photosynthese Kohlendioxid (CO₂) auf. Damit spielt es eine wichtige Rolle im Kohlenstoffkreislauf und für das Klima. Zugleich bildet Phytoplankton die Grundlage des marinen Nahrungsnetzes und ist damit für das gesamte Ökosystem von Bedeutung.
Wie verändert sich das Plankton im Jahresverlauf?
Die Forschenden untersuchten unter anderem Stationen, die sie bereits mehrfach in diesem Jahr beprobt hatten. „Wir können nun die Artzusammensetzung über mehrere Monate vergleichen“, erklärt Dr. Helmke Hepach vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel. Sie arbeitet in der Arbeitsgruppe Biologische Ozeanographie von Professorin Dr. Anja Engel, die KIMMCO leitet.
Je nach Umweltbedingungen können unterschiedliche Phytoplanktonarten vorherrschen. Diese Fähigkeit zur Anpassung ist eine wichtige Eigenschaft, um auch unter sich verändernden Umweltbedingungen Kohlendioxid aufzunehmen und zu binden.
Auffällig wenig Sauerstoff in der Tiefe
Während der Expedition stießen die Forschenden auf eine weitere Auffälligkeit: In tieferen Wasserschichten wurden Mitte Juli ungewöhnlich niedrige Sauerstoffkonzentrationen gemessen.
„So niedrige Werte wie jetzt im Juli haben wir sonst eher Ende August festgestellt“, sagt Hepach. Eine mögliche Rolle spielen die hohen Wassertemperaturen. Warmes Wasser kann weniger Sauerstoff lösen. Gleichzeitig können höhere Temperaturen die mikrobielle Aktivität und damit den Sauerstoffverbrauch erhöhen.
Ob und in welchem Maß solche Veränderungen mit dem Klimawandel zusammenhängen, lässt sich aus den aktuellen Messungen allein noch nicht ableiten. Die Daten liefern jedoch wichtige Vergleichswerte für die weitere Beobachtung der Ostsee.
Von der Farbe des Ostseewassers zum Satellitenbild
Veränderungen im Phytoplankton können auch die Farbe des Wassers beeinflussen. Genau diese optischen Eigenschaften untersuchen die Forschenden der Arbeitsgruppe Earth Observation and Modelling der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) unter Leitung von Professorin Dr. Natascha Oppelt.
Dafür messen sie die Farbe des Ostseewassers direkt vor Ort und vergleichen die Ergebnisse mit Beobachtungen von Drohnen und Satelliten. „Wir messen mit verschiedenen Methoden die Farbe des Ostseewassers, um mit diesen Referenzmessungen die Daten der Satelliten speziell für die Ostsee zu kalibrieren“, erklärt Oppelt.
Die Messungen auf der Malizia Explorer verbinden dadurch die Beobachtungen im Wasser mit großräumigen Satellitendaten. Künftig könnten solche Daten helfen, Veränderungen des Phytoplanktons und damit des Umweltzustands der Ostsee über große Gebiete hinweg zu verfolgen.
KI für ein effizienteres Monitoring
Genau hier setzt KIMMCO an. Das Projekt verbindet automatisierte Messungen direkt im Wasser mit Fernerkundung und KI-gestützten Methoden. Die KI soll dabei helfen, große Mengen an Beobachtungsdaten effizient auszuwerten und Muster zu erkennen.
Die während der Expedition gewonnenen Daten liefern dafür wichtige Referenzwerte. Sie tragen dazu bei, den Einfluss von Phytoplankton auf Kohlenstoffkreislauf, Biodiversität und den Zustand des Ökosystems Ostsee besser zu verstehen – insbesondere vor dem Hintergrund des fortschreitenden Klimawandels.
Das KI-Leuchtturmprojekt KIMMCO
In KIMMCO arbeiten Forschende der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel/Kiel Marine Science, der Technischen Universität Hamburg und des GEOMAR Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung Kiel zusammen.
Das KI-Leuchtturmprojekt wird vom Bundesministerium für Umwelt, Klimaschutz, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMUKN) im Rahmen der Initiative „KI-Leuchttürme für Umwelt, Klima, Natur und Ressourcen“ mit dem Schwerpunkt Natürlicher Klimaschutz gefördert. Ziel der Förderung ist die Anwendung KI-basierter Umwelttechnologien in der Praxis, um zur Senkung von Treibhausgasemissionen, dem Schutz von CO2-Senken oder dem Erhalt maritimer Ökosysteme und damit der Biodiversität beizutragen. Koordiniert und umgesetzt wird dies durch die Zukunft – Umwelt – Gesellschaft (ZUG) gGmbH.
