Argo (Programm)

Was ist Argo?

Argo ist ein mobiles Beobachtungssystem für die Weltmeere, mit dem seit dem Jahr 2000 Temperatur, Salzgehalt, Strömungen und zunehmend auch chemische und biologische Komponenten gemessen werden. Die Daten werden fast in Echtzeit übertragen und in der Forschung sowie der Klimaüberwachung verwendet.

Argo besteht aus einer Flotte von über 3930 automatisierten Treibbojen (englisch: profiling floats), die über alle Ozeane verteilt sind (Stand November 2020). Die Messroboter wiegen 20 bis 30 kg und sind etwa 1 m lang mit einem Durchmesser von 14 cm.

Die Floats treiben meist in 1000 m Tiefe (Parktiefe) und tauchen alle zehn Tage zunächst auf 2000 m ab, um von dort zur Oberfläche aufzusteigen. Während des Aufstiegs messen sie Temperatur, Leitfähigkeit und Druck; daraus lassen sich Salzgehalt und Dichte des Meerwassers berechnen. Dichte ist wichtig, weil horizontale Dichteunterschiede die großskaligen Ozeanströmungen antreiben.

Das mittlere Strömungsfeld in der Parktiefe wird aus Distanz und Richtung aufeinanderfolgender Floatpositionen bestimmt. Die Positionen werden an der Oberfläche per GPS- oder ARGOS-Satellit gemessen, ebenso erfolgt die Datenübertragung per Satellit an das internationale Datennetz, wo alle Daten gesammelt, qualitätsgeprüft und bereitgestellt werden.

Der Name geht auf das Schiff Argo aus der griechischen Mythologie zurück (Iason und das goldene Vlies) und betont die Verbindung zum Satellitensystem Jason zur Vermessung der Meeresoberflächentopographie. Argo ist fälschlich manchmal als Akronym angegeben.

Internationale Zusammenarbeit

Argo ist ein Gemeinschaftsprojekt von mehr als 30 Nationen. Erst diese Zusammenarbeit ermöglicht eine globale Überwachung der Weltmeere; Argo ist eine Kernkomponente des globalen Ozeanüberwachungssystems GOOS.

Koordination: Das Argo Steering Team (Wissenschaftler und technische Experten) steuert das Programm, das Argo Data Management Team betreut die Datenströme. Das Argo-Informationszentrum (AIC), angesiedelt bei der Intergovernmental Oceanographic Commission (IOC) und der Weltorganisation für Meteorologie (WMO), übernimmt die übergeordnete Koordinierung.

Argo ist zudem in Klimabeobachtungsprogramme eingebunden: GEO (Group of Earth Observation), CLIVAR (ein Projekt des World Climate Research Programme zur Variabilität und Vorhersagbarkeit des Systems Ozean-Atmosphäre) und GODAE (Projekt zur Assimilation von Ozeandaten).

2014 wurde von IMOS (Australien) eine Animation für Kinder zur Funktionsweise von Argo erstellt.

Geschichte des Programms

Der ursprüngliche Plan wurde auf der OceanObs-Konferenz 1999 vorgestellt, die eine Koordination der Ozeanbeobachtungen zwischen verschiedenen internationalen Agenturen zum Ziel hatte. Eine kleine Gruppe von Wissenschaftlern unter Leitung von Dean Roemmich erarbeitete den Grundriss: ein globales System aus 3000 Treibkörpern, umgesetzt bis 2007. Tatsächlich wurde 2007 die Floatdichte von 3000 Bojen und damit die globale Abdeckung erreicht.

Das Argo Steering Team traf sich erstmals 1999 und erarbeitete Leitlinien zur globalen Datenweitergabe. Zehn Jahre später lieferte es bei der OceanObs-Konferenz 09 einen Statusreport und diskutierte Vorschläge zur Weiterentwicklung: Ausweitung auf hohe Breiten, Randmeere (Golf von Mexiko, Mittelmeer), vermehrte Beprobung der äquatorialen Gebiete und starker Randströme (Golfstrom, Kuroshio), Beprobung des tiefen Ozeans (> 2000 m) sowie zusätzliche Sensoren für biologische und chemische Parameter.

Im November 2012 lieferte ein indisches Argo-Float das einmillionste Profil ab – doppelt so viele Profile wie alle ozeanographischen Messungen von Forschungsschiffen im 20. Jahrhundert zusammen. Seit 2014 gibt es eine starke Expansion biologischer Messungen im BioArgo-Programm.

Float-Design und Funktionsweise

Auf- und Absteigen erfolgen durch Änderung der Dichte. Da die Masse eines Floats unverändert bleibt, ändert es seine Dichte über das Volumen: Mineralöl wird aus dem druckgeschützten Gehäuse in eine Kunststoffblase am Ende des Floats gepumpt. Die Blase dehnt sich aus, die Dichte sinkt, das Float steigt zur Oberfläche. Nach der Datenübertragung wird das Öl zurückgepumpt und der Abstieg beginnt. Die Satellitenantenne sitzt am oberen Ende und reicht nach dem Aufstieg klar aus dem Wasser. Die Lebensdauer eines Floats hat sich von vier auf sechs Jahre verlängert.

Hersteller und Typen: Die am meisten verwendeten APEX Floats stammen von Teledyne Webb; SOLO und SOLO-II wurden von der Scripps Institution of Oceanography entwickelt; weitere sind NINJA (Tsurumi Seiki Co., Japan), PROVOR (Ifremer, Frankreich) und NEMO (Deutschland). Die meisten Sensoren liefert Sea-Bird Electronics, das inzwischen auch ein eigenes Float namens NAVIS anbietet.

Alle Floats messen Temperatur und Salzgehalt; eine wachsende Anzahl trägt zusätzliche Sensoren, z. B. für gelösten Sauerstoff, Chlorophyll, Nährstoffe und pH-Wert. Diese Erweiterung heißt Bio-Argo und befindet sich noch in der Implementationsphase.

Array-Design und Datenzugang

Array-Design: Der ursprüngliche Plan sah einen mittleren Floatabstand von 3 Grad geographischer Länge und Breite vor. Dadurch wird in höheren Breiten eine höhere Auflösung (in km) erreicht, was nötig ist, weil der Wirbelradius zu den Polen hin abnimmt. Trotz Erreichens von 3000 Floats 2007 gibt es räumliche Ungleichheiten; im Südlichen Ozean werden zu wenig Floats ausgelegt, da er schwer zugänglich ist und wenig Schiffe für die Auslegung zur Verfügung stehen. Für die geplante Verstärkung der Messungen am Äquator, in Randströmen und Randmeeren sind etwa 4000 Floats nötig – dieses Ziel wurde in den letzten Jahren erreicht. Eine herausragende Eigenschaft ist, dass die Floats ganzjährig messen und so den saisonalen Bias schiffsgestützter Messungen eliminieren: südlich von 30° S wurden im südlichen Sommer etwa viermal so viele Schiffs­messungen durchgeführt wie im südlichen Winter.

Datenzugang: Argo bietet globalen, uneingeschränkten Datenzugang in nahezu Echtzeit. Die Daten werden sofort in ein Format für das GTS (Global Telecommunications System) der WMO gebracht, sodass alle WMO-Mitgliedsländer sie innerhalb weniger Stunden nutzen können. Über 90 % der global übermittelten Profile sind innerhalb von 24 Stunden abrufbar. Die Daten sind auch per ftp und www über die beiden globalen Argo-Datenzentren (GDACs) www.coriolis.eu.org (Frankreich) und www.usgodae.org/argo/argo.html (USA) erhältlich. Täglich werden nach Ozean getrennte Dateien zusammengestellt (z. B. 20121106_prof.nc für den 6. November 2012) für Atlantik, Pazifik und Indischen Ozean. Nutzer ohne Programmierkenntnisse können fertige Produkte wie den von der Scripps Institution of Oceanography gepflegten Argo Global Marine Atlas nutzen (z. B. grafische Salzgehaltsschnitte, Horizontalkarten, Zeitserien); Darstellung ist auch in Google Earth über AIC-Schichtfiles möglich. Allen Nutzern wird empfohlen, das Argo User's manual zu den Datenstrukturen, der Float-Funktionsweise und den Qualitätsflags zu studieren.

Wissenschaftliche Ergebnisse

Argo ist die primäre Quelle für Informationen über den klimatischen Zustand des Ozeans und wird weltweit genutzt. Die darauf basierenden Studien behandeln u. a. Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre, ozeanische Strömungen, zwischenjährliche Schwankungen, El Niño, mesoskalige Wirbel sowie Wassermasseneigenschaften und -bildung. Die Datenmenge reicht erstmals aus, um den globalen Wärmeinhalt des Ozeans zu bestimmen; Argo-Daten fließen auch in Klimamodelle ein und verbessern saisonale Vorhersagen.

Beispiel: Die Arbeit von Durak und Wijffels analysiert globale Änderungen im Oberflächensalzgehalt. Ergebnis: Gebiete mit hohem Salzgehalt werden noch salzreicher, Gebiete mit niedrigem Salzgehalt noch salzärmer. Da die Salzgehaltsverteilung von der Differenz zwischen Niederschlag und Verdunstung bestimmt wird, bedeutet dies, dass sich der hydrologische Kreislauf infolge des Klimawandels verstärkt haben muss.

Argo-Daten waren essentiell für Kapitel 3 des 5. Sachstandsberichts des IPCC (September 2013). Im Appendix wird betont, dass sich Qualität und Volumen ozeanischer Messungen durch Argo grundlegend verbessert haben; nur dadurch lassen sich das Wärmebudget des oberen Ozeans und Veränderungen im Oberflächensalzgehalt ausreichend genau analysieren.

Ab 2014 wurde testweise eine neue Generation „Deep Argo“-Floats eingesetzt, konzipiert für Tauchtiefen von 4000 bis 6000 m. Sie sollen Temperatur und Strömungsmuster der Tiefsee erfassen und präzise Daten zum sich verändernden Wärmeinhalt der Ozeane in diesen Wasserschichten liefern.