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12.05.2020

Big Data für die Meeresforschung

Die Ozeane verändern sich mit dramatischer Geschwindigkeit. Das könnte Auswirkungen auf das Leben aller Meeresorganismen haben, in einer Weise, die Wissenschaftler noch nicht vollständig verstehen. Deshalb versuchen Willi Rath und das Team „Ozeandynamik“ am GEOMAR die stetig wachsende Menge generierter Daten über Mikroorganismen nutzbar zu machen.

71 Prozent der Erdoberfläche sind von Meeren und Ozeanen bedeckt. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Regulierung des globalen Klimas. Durch den menschengemachten Klimawandel hat sich die Erde derart erwärmt, dass auch die Ozeane diese Hitze zu spüren bekommen. So absorbieren sie ein Drittel des durch menschliche Aktivität erzeugten Kohlendioxids und mehr als 90 Prozent der in der Atmosphäre, infolge erhöhter Treibhausgase, gebundenen Wärme. Dies könnte direkte Auswirkungen auf das maritime Leben haben, denn gleichwie die Ozeane sich verändern, diese riesigen Gewässer reagieren selbst auf kleinste Umweltveränderungen äußerst sensibel.

Veränderungen in den Ozeane beeinflussen das Leben von Meeresorganismen und deren Ökosystemen

Im Golf von Biskaya an der westfranzösischen Atlantikküste könnten sich beispielsweise die schlüpfenden Fischlarven künftig sehr viel kräftiger entwickeln und von der Meeresströmung im Vergleich zu früheren Generationen in eine entgegengesetzte Richtung gespült werden. Bei Tieren weiter oben in der Nahrungskette, die sich weitgehend von Fischlarven ernähren, könnte dies zudem den sogenannten Ripple Effect, eine Art Dominoeffekt auslösen. Aber das sind nur einige der vielen Auswirkungen, die Veränderungen der Ozeane für die Lebenszyklen ihrer Meeresorganismen und Ökosysteme nach sich ziehen.

Um diese komplizierten Antriebskräfte der Ozeanzirkulation besser zu verstehen, entwickelt und betreibt das Team „Ozeandynamik“ am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung in Kiel komplexe numerische Modelle zur Simulation von Meeresströmungen. Das Team kann damit vorhersagen, wie sich potentielle Effekte des Klimawandels auf das System „Ozean“ auswirken und sich die Meeresorganismen entsprechend anpassen werden. „Wir arbeiten gerade mit Daten aus einer Zusammenarbeit mit Meeresbiologen, die zur Ernährung von Fischpopulationen im Mittelmeer forschen“, erläutert Dr. Willi Rath, Datenwissenschaftler und seit sieben Jahren Mitarbeiter in dem Projekt.

Die Datenanalyse spielt eine wichtige Rolle für ein besseres Verständnis unserer Ozeane

Es ist schwierig Fischeier und Fischlarven direkt zu verfolgen, denn sie sind extrem klein und die vielen Arten legen unzählige Eier. „Natürlich gibt es Leute, die einzelne Fischlarven in den ersten Lebenswochen begleiten, um zu schauen, wie sie sich entwickeln, wohin sie driften und wie sie schwimmen etc.“, erklärt Dr. Rath, „aber mit einem Modell oder einer Simulation ist es wesentlich einfacher entsprechende Datenmengen und Statistiken zu generieren. Ich glaube nicht, dass es machbar wäre, 15 Millionen Fischlarven mehrere Monate lang in einem echten Ozean zu beobachten.“

Will man herausfinden wohin die Fischlarven über einen bestimmten Zeitverlauf geschwemmt werden, ist eine Computersimulation über deren mögliche Wege zweifelsohne sehr hilfreich. Allerdings wird dies kompliziert, wenn man die Bahnen von 15 Millionen Fischlarven  nachverfolgen möchte. “Es ist meist schwierig vorherzusehen, welche Details und Variablen für uns interessant sind. Daher benötigen wir potentiell alle Informationen einer Simulation und können die Datenmengen, die wir generieren, nicht reduzieren“, so Rath. Er hat das Tool zur Analyse und Simulation der Ozeane mitentwickelt; heute ist es unter dem Namen „OceanParcels“ weltweit für Wissenschaftler zugänglich.

Eine Kluft zwischen generierten Datenmengen und effektiven Methoden der Datenanalyse

Während die „Supercomputer“, die Rath und sein Team nutzen, numerische Experimente durchführen und dabei hohe simulierte Datenmengen über Veränderungen der Ozeanzirkulation und des Klimasystems generieren, sind die Methoden zu Analyse und Visualisierung der Daten vergleichsweise im Rückstand. „Wir sind schlichtweg überwältigt von den Datenfluten, die wir momentan produzieren können“, sagt Rath. „Da ist eine zunehmende Kluft zwischen den Datenmengen, die wir generieren können und unseren Möglichkeiten sie zu visualisieren. Und das könnte den wissenschaftlichen Fortschritt weit mehr hemmen, als wir denken.“
 

Letztlich könnte die Entwicklung einer Visualisierungstechnik für große Datenmengen nicht nur die Prognose über Auswirkungen veränderter Ozeane auf die Meerespopulationen verbessern – sondern im weitesten Sinne auch dazu beitragen, die Komplexität anderer großer Datensätze zu verstehen, die sich insbesondere mit der Prognose zukünftiger Einflüsse auf den Klimawandel befassen. „Erst durch den Analyseprozess von Daten und die Möglichkeit zu verstehen, was mit einer einzigen Fischlarve oder einem Meerestier geschieht, können wir abschätzen, was sich in größeren Zusammenhängen ändern muss, wann immer Meeresströmungen sich verändern.“, erklärt Dr. Rath. „Potenziell zählen alle Details.“

Text: Charmaine Li

Übersetzung: Elisabeth Simon

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