Meereis-App: Neues Werkzeug für Polarforscher | Polarjournal
Meereis ist ständig in Bewegung und die Oberfläche der Eisschollen verändert sich durch die Bildung von Presseisrücken und Schneefall. Da fällt es Wissenschaftlern oft schwer, ihre Messinstrumente wiederzufinden. Foto: Dr. Michael Wenger

Wie finden Polarforscher eigentlich ihre auf dem Meereis ausgebrachten Messstationen und Sensoren wieder, nachdem diese über Tage, Wochen oder sogar ein Jahr eigenständig Daten aufgenommen haben? An Land ist es einfach – man bestimmt mithilfe von GPS die genaue Position und findet die Geräte zuverlässig an derselben Stelle wieder. Das Meereis ist allerdings ein mobiler Untergrund und einmal gespeicherte Koordinaten helfen beim Auffinden von Messinstrumenten kaum weiter. Zudem gibt es keinerlei visuelle Anhaltspunkte, anhand derer man sich orientieren könnte, da sich auch die Oberfläche des Meereises ständig verändert. Martin Schiller, Meereis-Techniker am Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung, musste bei einer stundenlangen Suchaktion im Jahr 2016 diese Erfahrung machen. Daraufhin suchte Schiller nach einer Lösung und entwickelte gemeinsam mit Kollegen eine Meereis-App.

Die Erfindung von Martin Schiller, die FloeNavi-App, kam nach dreijähriger Entwicklungsphase noch genau rechtzeitig zum Start der MOSAiC-Expedition im Herbst 2019. Die App basiert auf dem Automatischen Identifikationssystem (AIS), das in der Schifffahrt seit über 20 Jahren unter anderem zur Vermeidung von Kollisionen eingesetzt wird. Das System sendet kontinuierlich die Positionskoordinaten, den Kurs, die Geschwindigkeit sowie Informationen zum Schiff per UKW in die Welt, sodass andere Schiffe entsprechend reagieren können.

„Als Forschungseisbrecher besitzt Polarstern natürlich auch einen AIS-Sender und Empfänger, sodass ich auf die Idee kam, das Koordinatensystem auf der Scholle ebenfalls mithilfe von AIS-Funksendern aufzubauen.“

Martin Schiller, Meereis-Techniker am Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung

Schiller war schnell klar, dass dieses System genau das ist, was Polarforscher bei Arbeiten auf dem Meereis benötigen. Das Meereis bewegt sich nämlich auf dem darunter liegenden Ozean entlang von Strömungen und dreht sich zudem um seine eigene Achse. Und alles, was sich auf dem Meereis befindet, wandert mit. Zu einem Zeitpunkt notierte Koordinaten geben also nur im Moment der Positionsbestimmung den korrekten Standort wider, da sich diese immer auf die Erdoberfläche, in dem Fall den Meeresboden, beziehen.

Zwei AIS-Basisstationen markieren die X-Achse des FloeNavi-Grundrasters auf der treibenden Eisscholle. Die Lage der Y-Achse berechnet die Software. Während der MOSAiC-Expedition hatte das die AWI-Meereisgruppe stets 7 Basisstationen im Einsatz – zwei für die Hauptachse und fünf weitere zur Sicherheit an den wichtigsten Forschungsstationen, für den Fall, dass Basisstation 1 oder 2 ausfallen. Grafik: Meereisportal.de

Für die Übertragung des AIS auf eine Eisscholle wird lediglich ein Koordinatensystem benötigt, das auf die Scholle projiziert wird. Dafür reicht es aus, zwei Sender, die die X-Achse markieren, in einem definierten Abstand auf dem Eis zu verankern. Die Projektion der Y-Achse wird von einer Software übernommen, die ebenso die fortlaufend gesendeten Positionsdaten der zwei AIS-Basisstationen verarbeitet und die genaue Lage des Koordinatensystems berechnet.

Für die Markierung von Messstationen oder dem Verlauf von Messstrecken entwickelte Schiller eine AIS-Box, die die Wissenschaftler mit auf das Meereis nehmen. In der Box sind ein AIS-Empfänger und ein WLAN-Hotspot, der die Daten auf ein Tablet überträgt. Auf dem Tablet können die Wissenschaftler mithilfe der FloeNavi-App ihre genaue Position auf der Scholle anzeigen und abspeichern. Die App kann allerdings noch mehr: jedes Forschungsteam kann seine verwendeten Messgeräte aus einer Liste auswählen, sodass Eiskernbohrungen, Tauchroboterfahrten, Ballonaufstiege oder Schnee-Temperaturmessungen digital dokumentiert werden können. Alle so erfassten Positions-, Zeit-, Geräte- und Aktionsdaten werden dann automatisch vom Forschungseisbrecher Polarstern aus in das Datennetz der deutschen Forschungsschifffahrt (D-Ship) eingespeist und archiviert.

„Wir konnten das FloeNavi-System von Anfang an verwenden, um die vielen Geräteeinsätze auf der Scholle zu protokollieren, anstatt sie – wie bisher – abends an Bord von Hand aus den persönlichen Feldbüchern zu übertragen und dann so zu digitalisieren“

Dr. Marcel Nicolaus, Meeresforscher am Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung

Tests auf der Weser-Fähre und dem finnischen Festeis (Meereis, das an der Küste festgefroren ist) waren wenig aussagekräftig, da die Geschwindigkeiten der Versuchsplattformen nicht mit der von Treibeis zu vergleichen war. Daher blieb nur der Härtetest in der Arktis während der MOSAiC-Expedition. Anfänglich funktionierte die Positionsbestimmung nicht genau genug und die Software enthielt kleine Fehler. Dennoch nutzten die Wissenschaftler ihr neues Werkzeug von Beginn der Expedition an erfolgreich. Parallel arbeiteten Experten in Bremerhaven an der Behebung der technischen Probleme, sodass die verbesserte Version noch im Verlauf der einjährigen Expedition eingesetzt werden konnte.

Eine aus Luftbildern und Daten der FloeNavi-App erstellte punktgenaue Übersichtskarte des MOSAiC-Forschungscamps auf dem fünften Fahrtabschnitt. In Grau ist das FloeNavi-Grundraster dargestellt. Die durchgezogenen Linien zeigen die Hauptachsen, die gestrichelten Linien geben die 100-Meter-Segmente an. Die FloeNavi-Basisstationen sind als orangefarbene Sterne eingezeichnet. Grafik: Marcel Nicolaus / Alfred-Wegener-Institut

Vor allem die neue Dokumentationsmethode erspart den Wissenschaftlern viel Zeit und Arbeit, weshalb die App auch bei anderen Expeditionsarten zum Einsatz kommen soll. Hierzu hat das Data Logistics Support-Team des AWI-Rechenzentrums die App weiterentwickelt und ihr einen neuen Namen gegeben: «Mobile ActionLog App». Die neue App soll, je nach Pandemielage, in der zweiten Maiwoche in der Praxis in der Nordsee getestet werden.

Die FloeNavi-App wird jedoch noch ein wenig auf ihren nächsten Einsatz warten müssen: „Der Aufbau lohnt sich zeitlich nur, wenn wir im Laufe einer Expedition mehrere Tage auf einer Eisscholle verbringen und viele verschiedene Messgeräte zum Einsatz kommen. Sowie jedoch eine solche Eisstation ansteht, werden wir das bewährte AIS-Koordinatensystem wieder installieren“, so Martin Schiller.

Julia Hager, PolarJournal

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