665 2013 The Expedition of the Research Vessel "Polarstern" to the Antarctic in 2013 (ANT-XXIX/3) Edited by Julian Gutt with contributions of the participants Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung D-27570 BREMERHAVEN Bundesrepublik Deutschland ISSN 1866-3192 Hinweis Notice Die Berichte zur Polar- und Meeresforschung The Reports on Polar and Marine Research are werden vom Alfred-Wegener-Institut Helmholtz- issued by the Alfred-Wegener-Institut Helmholtz- Zentrum für Polar- und Meeresforschung in Zentrum für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven* in unregelmäßiger Abfolge Bremerhaven*, Federal Republic of Germany. herausgegeben. They are published in irregular intervals. Sie enthalten Beschreibungen und Ergebnisse They contain descriptions and results of der vom Institut (AWI) oder mit seiner Unter- investigations in polar regions and in the seas stützung durchgeführten Forschungsarbeiten in either conducted by the Institute (AWI) or with its den Polargebieten und in den Meeren. support. Es werden veröffentlicht: The following items are published: — Expeditionsberichte — expedition reports (inkl. Stationslisten und Routenkarten) (incl. station lists and route maps) — Expeditions- und Forschungsergebnisse — expedition and research results (inkl. Dissertationen) (incl. Ph.D. theses) — wissenschaftliche Berichte der — scientific reports of research stations Forschungsstationen des AWI operated by the AWI — Berichte wissenschaftlicher Tagungen — reports on scientific meetings Die Beiträge geben nicht notwendigerweise die The papers contained in the Reports do not Auffassung des Instituts wieder. necessarily reflect the opinion of the Institute. The „Berichte zur Polar- und Meeresforschung” continue the former „Berichte zur Polarforschung” * Anschrift / Address Editor: Alfred-Wegener-Institut Dr. Horst Bornemann Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung Assistant editor: D-27570 Bremerhaven Birgit Chiaventone Germany www.awi.de Die "Berichte zur Polar- und Meeresforschung" (ISSN 1866-3192) werden ab 2008 als Open-Access-Publikation herausgegeben (URL: http://epic.awi.de). Since 2008 the "Reports on Polar and Marine Research" (ISSN 1866-3192) are available as open-access publications (URL: http://epic.awi.de) The Expedition of the Research Vessel "Polarstern" to the Antarctic in 2013 (ANT-XXIX/3) Edited by Julian Gutt with contributions of the participants Please cite or link this publication using the identifier hdl:10013/epic.41835 or http://hdl.handle.net/10013/epic.41835 ISSN 1866-3192 ANT-XXIX/3 22 January - 18 March 2013 Punta Arenas - Punta Arenas Chief scientist Julian Gutt Coordinator Rainer Knust Contents 1. Überblick und Fahrtverlauf 3 Summary and Itinerary 8 2. Weather Conditions 12 3. Marine Ecology 16 3.1 Macrobenthic community analysis and biodiversity study 16 3.2 Dynamics of benthic ecosystem functioning in response to predicted environmental shifts 20 3.3 Megabenthic distribution patterns 25 3.4. Biodiversity and pelagic-benthic coupling 29 3.5 Prosperity and limitation of the sponge shelf fauna 41 3.6 Relation between benthic communities structure and functioning in response to food supply regime and water masses: echinoids ‘response’ 45 3.7 Crinoid and asteroid diversity over ecologically contrasted areas 53 3.8 Taxocoenoses of amphipod crustaceans 57 3.9 Symbiotic interactions 68 3.10 Meiofauna and water masses: looking for the link 73 3.11 Marine mammal survey 77 3.12 Regional bathymetry 81 3.13 Marine microbiology 84 4. Oceanography and Tracer Measurements 88 4.1. Observation of dense shelf, deep, and bottom waters downstream of their source regions at the Larsen A, B, and C ice shelves 88 4.2 Observation of stable noble gas isotopes (3He, 4He, Ne) and transient tracers (CFCs) 101 5. Antarctic Krill Population Dynamics in the North-Western Weddell Sea (CCAMLR) 106 1 APPENDIX A.1 Participating Institutions 118 A.2 Cruise Participants 122 A.3 Ship's Crew 124 A.4 Station list PS 81 126 A.5 List of Abbreviations of Gear 149 A.6 List of Abbreviations of Station Names 150 2 1. ÜBERBLICK UND FAHRTVERLAUF Julian Gutt, Michael Schröder Alfred Wegener Institute Helmholtz Centre for Polar and Marine Research, Bremerhaven Volker Siegel Thünen Institut für Seefischerei, Hamburg Die Expedition ANT-XXIX/3 (PS81) begann am 22. Januar in Punta Arenas (Chile) mit knapp zweitägiger Verspätung wegen eines Kranschadens und damit ver­ bundener Ladungsprobleme. Schon vor Antritt der Reise stand fest, dass wegen der schwierigen Eisbedingungen das Erreichen der drei geplanten Unters uchungs- gebiete, Larsen A/B (marine Ökosystemforschung), Larsen C (physikalische Ozeanografie) und östlich der Spitze der Antarktischen Halbinsel im Weddellmeer (Krillforschung), schwer bis unmöglich werden würde. Dasselbe galt auch für die meisten direkt benachbarten Ausweichgebiete. An Bord fanden intensive Gespräche statt, um alternative Pläne zu konkretisieren. Dabei wurde deutlich, dass das Ineinandergreifen von physikalischer Ozeanografie, Bathymetrie und allgemeiner Meeresbiologie nicht mehr so zu realisieren war, wie es für die spezifischen wissenschaftlichen Fragestellungen im Larsen-Gebiet geplant war. Die großen Arbeitsgruppen entschlossen sich zu den folgenden Ersatzprogrammen. Das Projekt zur Erforschung der Tiefenwasserbildung im westlichen Weddellmeer sollte ursprünglich, aufbauend auf Ergebnissen von ANT-XVIII in 2000 (Schröder et al., 2002) und ANT-XXII/2 (ISPOL, Absy et al., 2008; Hellmer et al., 2008; Huhn et al., 2008), insbesondere vor dem Larsen C Schelfeis nahe den Quellregionen des Tiefenwassers, aber auch in den Larsen A and B Buchten stattfinden. Die Untersuchungen sollten nun in ein Gebiet zwischen 60° und 65°S so verlegt werden, dass die Ausbreitung der neu gebildeten Wassermasse nach Norden, entlang des Schelfhanges in das Powell-Becken hinein, verfolgt werden konnte. Dazu wurden Stationen auf fünf quasi zonalen Transekten bis 50°W geplant, an Hand derer stromab auch der Verbleib des kalten Tiefenwassers aus dem südlichen Weddellmeer zu rekonstruieren ist. Ein weiterer meridionaler Transekt auf 55°W und zwei Schnitte über die Bransfieldstraße bei ca. 58°W sowie nördlich von Livingston Island ergänzt das physikalisch ozeanografische Programm, um den Einfluss von Weddellmeer-Wasser auf die östliche Bransfieldstrasse und den tiefen Gegenstrom am Fuß des Kontinentalsockels in der Drake Passage abschätzen zu können. Die ursprüngliche Planung des Krill­ und Planktonprogramms hatte zum Ziel, zwischen 63°S und 66°S nach Süden in das Weddellmeer vorzustoßen und dort erstmals standardisierte Untersuchungen an potentiellen Krillbeständen und Planktongemeinschaften durchzuführen. Eine offene Frage war, ob im Weddellmeer eine unabhängige Krillpopulation existiert, die entweder Krilllarven in das Scotiameer entlässt oder sogar einen Teil der hohen Krillkonzentrationen im Südwest-Atlantik ausmacht. Die schwierige Eissituation machte eine Modifizierung des ursprünglichen Plans notwendig, wodurch ein gemeinsames Stationsnetz mit 3 ANT-XXIX/3 dem Programm der physikalischen Ozeanografie entwickelt wurde. Das alternative Untersuchungsgebiet deckte nun das Gebiet zwischen 60°S und 65°S ab, wobei die Stationen teilweise in eisfreiem Wasser der östlichen Bransfield Straße auf einem Nord-Süd-Schnitt bei 55°W lagen. Diese Verlagerung nach Norden sollte auch weiterhin Untersuchungen in einem Gebiet mit Weddellmeer-Ausstrom unter weniger schwierigen Eisbedingungen erlauben. Außerdem können Proben von diesen Stationen Auskunft darüber geben, wie sich die Krillpopulation und die Planktongemeinschaft im Vergleich zu dem Gebiet westlich der Antarktischen Halbinsel zusammensetzen. Das ursprüngliche Ziel blieb somit weitgehend erhalten, auch wenn im südlichen Bereich ein Teil der Probennahme ausgefallen ist. Bei dem ursprünglichen benthologisch-dominierten allgemeinbiologischen Vorhaben wäre es um die Reaktion des marinen Ökosystems auf das Wegb rechen der Larsen A und B Schelfeisgebiete gegangen. Dabei wären Arbeiten fortgeführt worden, die erstmalig während ANT­XXIII/3 im Rahmen des Census of Antarctic Marine Life (CAML, Gutt et al., 2011) und ANT-XXVII/3 erfolgten. Insbesondere der angenommene Wechsel von einem deutlich oligotrophen zu einem „normalen“ Antarktischen System hätte dabei im Mittelpunkt gestanden. Das Ersatzprogramm griff diesen ökologischen Gedanken auf und stellt, ebenso wie das ursprüngliche Projekt, einen wesentlichen Beitrag zum neuen SCAR­Biologie­ Programm „Antarctic Thresholds - Ecosystem Resilience and Adaptation“ (AnT- ERA) dar. Es wurde ein Ansatz gewählt, innerhalb dessen benthische Strukturen sowie Prozesse untersucht wurden und der sowohl eine großräumige als auch eine mittelskalige Komponente hatte. Diesem Konzept lag die Annahme zu Grunde, dass es Unterschiede in Qualität und Quantität der Nahrungsv erfügbarkeit für unterschiedliche Benthoskomponenten (mobile und sessile Fauna, Epi- und Infauna, Mega-, Makro-, Meiofauna), zwischen den Gebieten westliches Weddellmeer (WS), Bransfieldstrasse (BS) und Drake Passage westlich der South Shetland Inseln (DP) gibt. Als Basis dafür dienten langjährige Ergebnisse zur sommerlichen Primärproduktion in der euphotischen Zone (Bracher et al., pers. comm.), die mittlere sommerliche Meereisbdedeckung, die Bodenwassertemperatur (Clarke et al., 2009) sowie zwei Bestandsaufnahmen des Makrobenthos, vor der eine auf fischereibiologische Beifänge (Lockhart and Jones, 2008), die andere auf eine benthosökologische Studie (Piepenburg et al., 2002) zurückgeht. Zusätzlich wurde davon ausgegangen, dass es, bedingt durch Bodentopografie und Strömung, auch innerhalb der Untersuchungsgebiete solche Unterschiede, insbesondere mit Folgen für die Nahrungsverfügbarkeit gibt. Daraus ergab sich ein Stationsdesign, das großräumige Untersuchungen (zwischen Untersuchungsgebieten) mit mittelskaligen (innerhalb der Gebiete, zwischen mehreren Kernstationen) verschachtelt, so dass für die einzelnen Gebiete repräsentative Ergebnisse zu erwarten sind. Gleichzeitig sind so auch Vergleiche auf verschiedenen räumlichen Skalen entlang von ökologischen Gradienten möglich. Insbesondere der auf den repräsentativen mittelskaligen Ergebnissen aufbauende großräumige Vergleich stellt die Basis für die Entwicklung von Zukunftsszenarien für benthische Lebensgemeinschaften bei anhaltenden klimabedingten Umweltveränderungen, z.B. in Nahrungsv erf üg- barkeit, Temperatur und Eisbedeckung, dar. Als Proxi für die mittelskalige Nahrungsverfügbarkeit diente die heterogene Meeresbodentopografie, weil sie maßgeblich die bodennahe Strömung beeinflusst. Hierfür wurden innerhalb einer Kernstation vier verschiedene Habitate ausgewählt: flache Bank (ca. 200 m), oberer exponierter Hang (ca. 270 m), tieferer Hang (ca. 450 m) und Canyon (ca. 500 m). Dieses Konzept beinhaltete, dass alle 4 1. Überblick und Fahrtverlauf Beprobungsgeräte, einschließlich RMT-Netz für Krillfänge, CTD-Messungen und Wasserproben, auf allen Stationen eingesetzt werden sollten. Begleitende regionale Meeresbodenvermessungen in den einzelnen Untersuchungsgebieten würden außer ihrem Selbstzweck wertvolle Informationen zur Detailplanung des biologischen Stationsdesigns und für die spätere Interpretation entsprechender Ergebnisse erbringen. Obwohl zu erwarten war, dass auf Grund der Sedimenteigenschaften nicht alle Geräte überall eingesetzt werden können, erlaubt dieses Konzept trotzdem, für alle Kernstationen eine, wenn auch nicht komplette, Aussage über jede Fraktion des Benthos treffen zu können. In der Drake Passage und im Weddellmeer wurde das Stationsdesign dem Fehlen einzelner Habitate durch Reduzieren der einzelnen Stationen pro Kernstation oder Modifikation der Habitat-Definitionen angepasst. Nach dem Auslaufen aus Punta Arenas in westliche Richtung durchquerte Polarstern die Drake-Passage und erreichte am 26. Januar ein teilweise eisbedecktes Gebietes an der Spitze der Antarktischen Halbinsel nördlich von Joinville Island. Dort wurden in einem später der Bransfield Straße zugerechneten Habitat für ca. zwei Tage erste Benthosbeprobungen (Multicorer, Dredgen, bildgebende Methode OFOS, Kastengreifer) durchgeführt und, je nach Eislage, lokal durch bathymetrische Vermessungen unterstützt (Abb. 1.1). Anschließend begab sich Polarstern auf eine Serie von Transekten (F, G, D, E, C, B), die der Krillforschung im Rahmen von CCAMLR und der Ozeanografie zur Erforschung der Bildung des Tiefenwassers, bzw. dessen Fluss nach Norden gleichermaßen dienten. Die CTD-Stationen wurden trotz hoher Eisbedeckung mit wenigen Lücken bis zum 7. Februar erfolgreich und -wie geplant- quasi synoptisch abgearbeitet. Das RMT-Netz kam an insgesamt 70 % der alternativ geplanten Stationen erfolgreich zum Einsatz. Die Benthosarbeiten wurden küstennah im Weddellmeer am östlichen Ausgang des Antarktischen Sunds im Erebus und Terror Golf fortgesetzt. Anschließend gab es vom 11. bis 18. Februar zwei Krill-/Ozeanografie-Schnitte weiter im Süden (A, O), die am nördlichen Rand des ursprünglichen Krill-Untersuchungsgebietes lagen. Am 18. Februar fiel die endgültige Entscheidung, den Plan, das Larsengebiet doch noch zu erreichen, aufzugeben. Nach Satellitenbildern schien es unmöglich, in den inneren Buchten zu arbeiten. Ein nur schmaler Streifen offenen Wassers vor Larsen A, dessen ungewisse Zukunft, umgeben von solidem Meereis, und der Weg dorthin durchs Eis (und zurück) ließen ein Erreichen und dortiges Arbeiten gänzlich ineffizient bis unmöglich erscheinen. Während der oben erwähnten Krill-/Ozeanografie-Schnitte im Weddellmeer auf der Höhe des Antarktischen Sundes hatte Polarstern eine auffällig flache Stelle überfahren, auf die sich nun für 2,5 Tage alle Beprobungs-Anstrengungen richteten. Diese flache Bank stellte ein interessantes Objekt für die Erforschung der pelago- benthischen Kopplung, der sie treibenden ökologischen Kräfte und für die evolutive sowie ökologische Ausbreitung von Meerestieren dar. Möglicher weise handelt es sich um einen an der Spitze abgetragenen Vulkan. Während starker Winde hielt eine Kette gestrandeter Eisberge das Meereis von dieser Stelle fern. Am 22. Februar durchfuhr Polarstern den Antarktischen Sund und die Biologen setzten die benthologisch-dominierten Arbeiten gemäß dem oben geschilderten Konzept auf dem Schelf der Halbinsel in der Bransfieldstrasse fort, unterbrochen von einem kurzen ozeanografischen Schnitt incl. Krillfängen. Hier wurden die vier verschiedene Habitaten (flache Bank, oberer exponierter Hang, tieferer Hang und Canyon) konsequent von allen Geräten - mit einigen Ausnahmen, z.B. keine Multicorer auf steinigem Grund - beprobt. Dieses Konzept wurde 5 ANT-XXIX/3 auf alle drei Kernstationen angewendet. So wird es für jedes dieser ca. 15 x 10 km großen Areale (=Kernstation) ein umfangreiches Bild der benthischen Artenzusammensetzungen von der Meio- bis zur Megafauna vor dem Hintergrund der sie prägenden ökologischen Prozesses und Umweltparameter geben. Nach Abschluss dieser Arbeiten auf dem Schelf der Halbinsel wurde auf einer Station der Krater von Deception Island ozeanografisch insbesondere in Hinblick auf Spurenstoffe beprobt. Am 7. März erreichte Polarstern das Gebiet nördlich der South Shetland Inseln, wo das oben geschilderte ökologische Konzept zur allgemeinen Meeresbiologie auf drei Kernstationen mit reduziertem Aufwand umgesetzt wurde. Das meeresbiologische Alternativprogramm mit benthol ogischem Schwerpunkt in den drei Gebieten Weddellmeer, Bransfielstraße und Drake Passage, das einem verschachtelten Konzept auf verschiedenen räumlichen Skalen folgten und Beprobungen auf gesamte neun Kernstationen mit je bis zu vier Einzelstationen umfasste, wurden einschließlich der bathymetrischen Vermessungen am 12. März erfolgreich und vollständig abgeschlossen. Die ozeanografischen Arbeiten wurden mit einem kurzen Schnitt nördlich von Livingston Island am 13. März beendet. Die wissenschaftlichen Walzählungen aus dem Helicopter wurden während der gesamten Reise durchgeführt, sofern die Wetterbedingungen es erlaubten. Besonders östlich der Antarktischen Halbinsel verhinderten tief hängende Wolken und Nebel oftmals über mehrere Tage Zählflüge. In den eisbedeckten Gewässern östlich der Antarktischen Halbinsel lag der Fokus auf der Erfassungen der Verteilung von Antarktischen Zwergwalen in Beziehung zur Meereisbedeckung. Das zeitweilig unerwartet gute Wetter in der Drake Passage erlaubte dann weitere intensive Walzählflüge nördlich der South Shetland Inseln, die eine höhere Artenvielfalt und höhere Individuendichte als östliche der Halbinsel zeigten. Auf insgesamt 40 Flügen erfolgten 267 Sichtungen mit insgesamt 669 Individuen von 7 Walarten. Je ein Beobachter/Beobachterin aus Argentinien und Chile waren wegen beantragter Forschungsgenehmigungen in den Hoheitsgewässern für die gesamte Expedition an Bord. Ein zweiköpfiges ZDF-Team berichtete in Nachrichtensendungen, Magazinen und einem Blog über die Expedition und bereitet mehrere Fernsehdokumentationen vor. Ein weiterer Blog im Rahmen der Association of Polar Early Career Scientists (APECS) wurde von den Jungwissenschaftlern an Bord gestaltet. Die Reise endete am 18. März wegen der oben genannten logistischen Probleme einen Tag verfrüht in Punta Arenas. 6