Wissenschaftskommunikation
Jede Messung zählt — Segeln für die Klimaforschung
Die Wellen türmen sich bis zu 20 m hoch und werfen das kleine Segelboot hin und her. Unbeirrt steuert der Segler Boris Herrmann seine Malizia-Seaexplorer erst durch die Roaring Forties, dann die Furious Fifties — die berüchtigten, windstarken Regionen rund um den 40. und 50. südlichen Breitengrad, immer näher an die Antarktis. Scheinbar alleine hat er sich mit seinem Segelboot in eine der entlegensten Regionen der Weltmeere gewagt — das Südpolarmeer. Der Segler wird an Bord insgesamt 80 Tage allen Gefahren trotzen. Er nimmt an einer Segelregatta teil, die ihn ohne Zwischenstopp ganz alleine einmal um die ganze Erde führt — eine der extremsten sportlichen Herausforderungen der Welt.
Während Herrmann versucht, seine Konkurrenz in diesem sportlichen Rennen zu schlagen, arbeitet noch ein weiteres Crewmitglied still und leise im Bauch der Yacht. Ein handgepäckgroßes Messgerät misst unermüdlich den Kohlenstoffdioxidgehalt an der Oberfläche des Ozeans. Der Vergleich mit dem Gehalt der Luft gibt Aufschluss darüber, wie viel Kohlenstoffdioxid (CO2) das Meer aufnimmt oder abgibt: Ist der CO2-Gehalt in der Meeresoberfläche geringer als der der Luft, so nimmt das Meer CO2 aus der Atmosphäre auf, ist er höher, so gibt es CO2 ab. Insgesamt nimmt der Ozean mehr menschengemachtes CO2 auf, als er abgibt. Auf diese Weise steuert er der globalen Erwärmung entgegen.
Von der Yacht auf den Schreibtisch der Politik
Und was passiert mit den Messdaten? Nicht nur das Segelboot, sondern auch die Daten aus dem Messgerät gehen auf Weltreise: aus dem Inneren des Segelbootes in digitale Forschungsdatenbanken. Von dort aus werden sie für wissenschaftliche Analysen genutzt, in Klimaberichte eingebracht und gelangen letztendlich auf den Tisch derer, die entscheiden — über Budgets, Gesetze und Maßnahmenpakete. Denn Politiker:innen und Interessenvertreter:innen verlassen sich auf solche Messdaten und die Erkenntnisse, die Wissenschaftler:innen aus ihnen ziehen, um Emissionen zu überwachen, Fortschritte bei Klimazielen zu bewerten und geeignete Klimamaßnahmen zu ergreifen.
Zurück an Bord des Segelschiffes: Weit und breit ist kein anderes Schiff zu sehen. Allein segelt es durch die einsamsten und entlegensten Regionen der Weltmeere und führt Messungen durch. Und hier liegt auch das Problem: Forschungsschiffe und Frachter mit Bojen, Messrobotern und anderen Plattformen wagen sich kaum in das Südpolarmeer — zu groß sind die Gefahren, zu rau die See und zu weit abseits der üblichen Schiffsrouten. Deshalb wurde in vielen großflächigen Regionen im Südpolarmeer noch nie der CO2-Gehalt gemessen. Woher sollen wir also wissen, wie viel CO2 der Ozean hier aufnimmt? Zwar kann eine Künstliche Intelligenz (KI) aus allen bislang erhobenen Daten lernen, diese großen Lücken zu füllen und abschätzen, wie viel CO2 anderswo vom Ozean aufgenommen wird. Allerdings sind in Regionen mit nur wenig Messdaten die Schätzungen der KI, die wir an die Politik weitergeben, nicht sehr genau und verbesserungsbedürftig.
Genau hier kommt unser Segelboot ins Spiel. Es füllt die Lücken mit neuen, nicht von Wissenschaftler:innen, sondern von Sportler:innen erhobenen Messdaten. Citizen Science oder Bürgerwissenschaft nennt man das, wenn Menschen außerhalb der Wissenschaft die Forschung aktiv unterstützen, zum Beispiel durch solche Messungen. Aber machen die neuen Messdaten von nur einem einzigen Segelboot bereits einen Unterschied? Lernt die KI mehr und passt dadurch die Schätzung an, wie viel CO2 der Ozean aufnimmt?
Bereits die Messdaten eines einzelnen Segelbootes ändern die Schätzung der CO2-Aufnahme des Ozeans.
Ja! In meiner Doktorarbeit zeige ich, dass bereits die Messdaten eines einzelnen Segelbootes die Schätzung der CO2-Aufnahme des Ozeans ändern. Die Politiker:innen bekommen neue, aktualisierte Zahlen in Berichten vorgelegt. Ich nutze dafür eine KI und füttere sie mit den spärlich vorhandenen CO2-Daten und mit flächendeckenden Satellitendaten wie etwa Meerestemperatur und Salzgehalt. Daraus lernt die KI die Zusammenhänge und überträgt sie auf Regionen ohne Messungen, um dort die CO2-Aufnahme zu schätzen. Den Effekt der Segelbootdaten prüfe ich, indem ich die KI zweimal trainiere: einmal mit und einmal ohne die Segelbootmessungen, und die Ergebnisse vergleiche.
Mit den neuen Segelbootdaten zeige ich, dass das Südpolarmeer vermutlich weniger CO2 aufnimmt als bisher angenommen, der Nordatlantik hingegen mehr. Am stärksten ändern sich die Werte im Sommer der Südhalbkugel zwischen den Breitengraden 40°S und 60°S, vor allem dort, wo verschiedene Strömungen aufeinandertreffen — rund um die Zeit, in der das Segelboot dort unterwegs war und neue Informationen gesammelt hat.
Ändern ist nicht gleich verbessern
Nun wissen wir also, wie die neuen Messdaten vom Segelboot unsere Schätzung der Kohlenstoffdioxidaufnahme des Meeres verändern. Aber verbessern die zusätzlichen Messdaten auch unsere Schätzung? Schwer zu sagen, da wir nicht wissen, wie viel CO2 wirklich zu jedem Zeitpunkt überall im Meer aufgenommen oder ausgestoßen wird.
Aber dafür gibt es Ozeanmodelle. In solchen Modellen wird der gesamte Ozean virtuell nachgebildet, und es wird berechnet, wie sich Wasser, Kohlenstoff und Nährstoffe mit den Meeresströmungen bewegen und miteinander wechselwirken. So lassen sich die wichtigsten Abläufe im Ozean realitätsnah nachvollziehen, weshalb solche Modelle oft als Vergleichsmaßstab dienen. Mit solch einem Modell habe ich in meiner Doktorarbeit genau die Probenahmemuster nachgebildet, die es auch in der Realität gibt — etwa die Messroute unseres Segelbootes. Die KI schätzt die fehlenden Bereiche. Anschließend habe ich diese Schätzung mit dem vollständigen Modell verglichen. So konnte ich sehen, inwiefern bestimmte Messstrategien die Modellrealität am besten treffen. Hier zeigt sich auch, wie wertvoll diese beiden Methoden — numerische Modelle und KI — im Zusammenspiel sein können.
Ich teste also im Computer durch: Was würde unsere KI schätzen, wenn wir die Messpunkte des Segelbootes nicht hätten oder sogar noch mehr Messdaten zur Verfügung stünden? Hat die KI mit den bestehenden Messdaten von Segelbooten die Abschätzung bereits verbessert? Noch nicht — die vorhandenen Daten reichen dafür noch nicht aus. In Zukunft können wir jedoch weit mehr Messdaten erwarten, da Segelrennen regelmäßig stattfinden. Es gibt zwei verschiedene Segelrennen, die um die ganze Welt führen. Sie finden im Wechsel alle drei bis vier Jahre statt und können in Zukunft deutlich mehr Messungen liefern. Hätten wir bereits zwei solcher zusätzlichen Weltumsegelungen gehabt, hätte sich laut Modell unsere Schätzung der Kohlenstoffdioxidaufnahme bereits deutlich verbessert. Wenn die KI mit dem Modell trainiert wird, führen zusätzliche Segelbootdaten zu Ergebnissen, die näher an der Modellwirklichkeit liegen: Der Ozean der Modellwelt nimmt mehr CO2 auf als ohne Segelbootdaten angenommen, insbesondere zwischen den Breitengraden 40°S und 60°S.
Auch wenn die Segelbootdaten nicht zu 100 % präzise sind, weil das Messgerät gelegentlich etwas daneben liegt, bleibt die Abschätzung verbessert. Problematisch sind allerdings dauerhafte Messfehler. Wird systematisch immer wieder zu hoch oder zu niedrig gemessen, wird die Abschätzung insbesondere im Südpolarmeer in den letzten Jahren deutlich schlechter. Darum sind regelmäßige Überprüfungen, erneute Einstellungen und Wartungen der Messgeräte während solch langer Rennen wichtig.
Segel setzen und Kurs halten
Alles in allem habe ich gezeigt, dass Messdaten von nur einem einzigen Segelboot oder auch von mehreren Segelbooten über mehrere Rennen einen verhältnismäßig hohen Wert für die Wissenschaft haben. In den abgelegenen und gefährlichen Regionen der Meere wird kaum gemessen. Deshalb sind Segler:innen, die ohnehin im Rahmen ihrer Sportveranstaltungen durch das Südpolarmeer segeln und bereit sind, einen Beitrag für die Wissenschaft zu leisten, ein wichtiger Datenlieferant. In den kommenden Jahren erwarten wir viele weitere neue Erkenntnisse von diesen einzigartigen und wertvollen Messdaten. Messungen, die heute nicht gemacht werden, sind für immer verloren. Also: Segel setzen und Kurs halten.
Die zugrundeliegenden Arbeiten sind erschienen in Scientific Reports (2024) und Science Advances (2026).