Die Expedition ARCTIC '96 des FS "Polarstern" (ARK XII) mit der Arctic Climate System Study (ACSYS) The expedition ARCTIC '96 of RV "Polarstern" (ARK XII) with the Arctic Climate System Study (ACSYS) Ernst Augstein and Cruise Participants Ber. Polarforsch. 234 (19 97) - ISSN 0176 5027 Contents I Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung Summary and Itinerary Research Programmes Physical and Chemical Oceanography Introduction Methods and First Result of Temperature, Salinity and Oxygen Measurements Nutrients Carbonate System Chloroflourocarbons Tritium, Helium and 180 Inorganic Minor Element Tracers Volatile Halogenated Organic Compounds Dissolved Organic Matter Physical and Chemical Speciation of Plutonium (and Americum) in the Arctic Water Column Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) Shipborne ADCP Optics Ocean Moorings Oceanographic I Meteorological Buoys The Atmospheric Boundary Layer Sea Ice Physics and Biology Visual Ice Observations On Ice Measurements Laser Altimeter Ice and Snow Thickness Ridge Sail Profiles Trafficability Sea Ice Remote Sensing Biological and Physical Sea Ice Properties Marine Biology Phyto- and Zooplankton Ecology and Vertical Particle Flux Biomass Distribution Taxonomy and Spatial Distribution of the Microplanktonic Community Epipelagic Community Meso- and Bathypelagic Communities Station List Participating Institutions Participants Ship's Crew ARCTIC '96 Cruise Report 1 Fahrtbericht 1. Zusammenfassung Die Expedition ARCTIC '96 wurde von zwei Forschungsschiffen, der deutschen POLARSTERN und der schwedischen ODEN unter Beteiligung von Wissenschaftlern und Technikern aus Deutschland, Finnland, Großbritannien Irland, Kanada, Norwegen, RußlandS chweden und den Vereinigten Staaten von Amerika durchgeführtD as gemeinsam entworfene multidisziplinär Forschungs- Programm wurde unter Berücksichtigun der spezifischen zeitlichen und logistischen Anforderungen der einzelnen Arbeitsgruppen unter den beiden Schiffen passend aufgeteilt. Demgemä bildeten auf der ODEN die geologischen, geophysikalischen und luftchemischen Arbeiten sowie die Eisfernerkundung das Schwergewicht, währen auf der POLARSTERN vorrangig Messungen zur physikalischen, chemischen und biologischen Ozeanographie, Atmosphärenphysi und der Erforschung des Meereises vorgenommen wurden. Die physikalischen Projekte auf der POLARSTERN dienten überwiegend er Un- terstützun der Arctic Climate System Study (ACSYS) des Weltklimaforschungs- Programms, die auf die Erforschung der vorherrschenden ozeanischen, atmosphärischen kryosphärische und hydrologischen Prozesse der Arktisregion ausgerichtet ist. Dabei soll der Beschreibung und numerischen Modellierung der Zirkulation, Wassermassenmodifikation sowie der Transporte von Energie und Stoffen im Nordpolarmeer einschließlic seiner Randmeere besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden. Im Hinblick auf diese Ziele wurden auf POLARSTERN Messungen durchgefühur m die hydrographischen Strukturen des Ozeans auf der Schnittlinie von Franz- Joseph-Land nach Severnaya Zemlya zu erfassen und den Wassermassen- austausch zwischen den flachen sibirisch-europäische Schelfmeeren und dem tiefen Nordpolarmeer durch den St. Anna- und den Voronin-Trog abzuschätzen die Ozeanzirkulation in dem Nansen- und Amundsen-Becken quantitativ zu beschreiben unter besonderer Beachtung der topographischen Einflüss des Lomonossow Rückenu nd anderer Bodenstrukturen. die zeitlichen Variationen der Strömunge entlang des Kontinentalabhangs und übed em Lomonossow Rücke sowie der mit ihnen verknüpfteW ärme und Salztransporte festzustellen. den atmosphärische Antrieb des Meereises bei verschiedenen großräumig Luftströmunge zu bestimmen. statistisch signifikante Aussagen übed ie Dicke und die Morphologie des Meereises in verschiedenen Regionen des Nordpolarmeeres zu ermöglichen Neben diesen auf die ACSYS bezogenen Arbeiten wurden Beobachtungen zum Studium der Meereislebewesen, der regionalen Verteilung des Phyto- und Zooplanktons und die Analyse bedeutsamer chemischer Prozesse in unterschiedlichen Zirkulationsäste des Nordpolarmeeres vorgenommen. Zu diesem Zweck wurden Messungen vom Schiff aus, mit Hilfe von Hubschraubern und auf dem Meereis mit verschiedenen teilweise neu entwickelten Instrumenten durchgeführDt ie physikalischen und chemischen Daten dienen unter anderem auch der Uberprüfun und Verbesserung von Ozean-, Meereis- und Klimamodellen. An Bord der POLARSTERN befanden sich 43 Seeleute, ein russischer Eislotse und 53 Wissenschaftler und Techniker aus Deutschland (29), Schweden (7), Rußlan (6), USA (5), Kanada (3), Finnland (I), Irland (1) und Großbritannie (I), Das Meßprogram wurde von multinationalen Arbeitsgruppen durchgeführtd ie späte auch die Datenaufbereitung und wissenschaftliche Bewertung der Ergebnisse gemeinsam vornehmen werden. Die Zusammenarbeit zwischen der ODEN und der POLARSTERN währen der Expedition bezog sich im wesentlichen auf logistische Unterstützung Währen zweier Treffen auf See fand ein Personalaustausch statt und es wurden Instrumente und Treibstoff umgeladen. Zur gegenseitigen Information übed en Arbeitsablauf, die Wetter- und Eisverhältniss wurden täglic Funkgespräch zwischen den wissenschaftlichen Leitern und den Kapitäne beider Schiffe geführt POLARSTERN lief am Freitag, den 12. Juli 1996 aus Bremerhaven aus und erreichte nach einer ruhigen Seereise am 19. Juli den russischen Hafen Murmansk, wo sich 7 russische und ein finnischer Wissenschaftler sowie 2 Eislotsen einschifften. Repräsentante der Behörde und wissenschaftlichen Einrichtungen der Stadt besuchten am Nachmittag des 19. Juli das Schiff anläßli eines kleinen Empfangs. Am 20. Juli verlieà POLARSTERN Murmansk mit dem Ziel Karasee. Außerhal der 12-Meilenzone wurde noch einmal Treibstoff von einem Tankschiff übernommen um fü den langen Aufenthalt im eisbedeckten Nordpolarmeer gut gerüstez u sein. Die Packeisgrenze wurde am 23. Juli bei 78ON überquerte inen halben Tag vor dem ersten Treffen mit der ODEN, die bereits einige Tage in der Barentssee Messungen durchgeführh atte. Währen die Schiffe fü einige Stunden zusammen drifteten wechselten ein Eislotse und ein Wissenschaftler von der POLARSTERN zur ODEN währen der füb eide Schiffe zuständig russische Beobachter in umgekehrter Richtung zur POLARSTERN überstiegF erner wurden der ODEN einige aus Deutschland mitgeführt Gerät übergeben Nach einigen Stunden Fahrt im Konvoi trennten sich die Schiffe am 24. Juli 1996, indem die ODEN ihren nordwärtige Kurs zum Lomonossow-Rückef ortsetzte und POLARSTERN nach Osten steuerte, um das Meßprogram mit einem zonalen hydrographischen Schnitt zwischen Franz-Joseph-Land und Severnaya Zemlya aufzunehmen (Figure 1). Dort wurden mit einer CTD (conductivity, temperature, depth) - Sonde, einem Wasserschöpfsyste und einem ADCP (acoustic doppler current profiler) der thermohaline Aufbau und mit Einschränkunge das Strömungsfel auf einer Schnittfläch durch den St. Anna- und Voronin-Trog in relativ dichten Abstände erfaßt Ferner wurden Wasserproben zur Bestimmung ozeanischer Spurenstoffe, radioaktiver Isotope und verschiedener Nährstoff geschöpf sowie Planktonnetzfäng vorgenommen. Länger Meßstatione wurden - wie währen der gesamten Reise im Eis - füu mfangreiche Meereisbeprobungen genutzt, um an Bord oder späte in den Heimatlabors physikalische, chemische und biologische Analysen durchzuführen Insbesondere konnten auf längere Traversen übeg roß Schollen mit einem neuen Meßsyste statistisch signifikante Eisdickenverteilungen registriert werden und Eisrücke detailliert vermessen werden. Schließlic dienten die von einem Hubschrauber getragene Turbulenzsonde HELIPOD und ein am Bugkran befestigter mit 5 Turbulenzsonden ausgerüsteteP rofilmast zur Erfassung der vertikalen turbulenten Impuls-, Wärme und Wasserdampftransporte. Hubschrauberflüg in verschiedenen Höhe konnten auch zur Bestimmung von Vertikalprofilen der turbulenten Flüss und deren spektralen Verteilung bis zum Oberrand der atmosphärische Grenzschicht genutzt werden. Auf dem Wege nach Severnaya-Zemlya nahm die Eiskonzentration ständi zu und behinderte schließlic das Fortkommen des Schiffes so stark, da POLARSTERN etwa 30 sm nach Norden ausweichen mußteu m den östliche Kurs übed ie Trög am 1. August 1996 bei 82ON 1 90° vollenden zu können Nach Ausbringen er ersten automatischen meteorologischen Driftboje wurden zunächs der Kontinentalabhang und dann das Nansen Becken, der Mittelozeanische Rücke und das Amundsen Becken in nordöstliche Richtung überquertD abei wurde das auf der Zonaltraverse begonnene Meßprogram im wesentlichen in gleichartiger Weise fortgesetzt. Auf dem Weg nach Norden nahm die Eiskonzentration unerwartet deutlich ab, so da POLARSTERN auf den Fahrtstrecken zwischen den ozeanographischen Stationen in breiten Rinnen bisweilen Geschwindigkeiten bis zu 12 kn erreichte. Dadurch wurden nicht nur die Zeitverluste des ersten Abschnittes schnell aufgeholt sondern auch eine Erweiterung des Meßprogramm vor allem an den Flanken der Tiefseerücke ermöglicht Dabei wurde U. a. gefunden, da der Mittelozeanische Rücke zwischen dem Nansen- und Amundsen-Becken zumindest auf der POLARSTERN-Route in den Echolot- messungen - im Gegensatz zu der uns verfügbareS eekarte - nicht in Erscheinung trat. Wegen der günstige Eisverhältniss erreichte POLARSTERN die Bohrposition der ODEN auf dem Lomonossow-Rücke drei Tage frühea ls geplant, so da die zweite Begegnung beider Schiffe auf den 11 ./12. August vorverlegt wurde. Aufgrund der besonders günstige Eislage einigten sich Wissenschaftler und Kapitän darauf, die Aufnahme von drei Verankerungen am Nordrand der Laptev- See der POLARSTERN allein zu überlasse und die Fahrtroute der ODEN durch Verlagerung des Arbeitsgebiets nach Norden abzuändern Zur Vermeidung von Treibstoffengpässe wurde Schiffsdiesel von der ODEN zur POLARSTERN und Hubschraubertreibstoff in umgekehrter Richtung transferiert. Der russische Beobachter nutzte das Treffen, um wieder auf die ODEN zurückzukehrenn achdem er einen russischen Wissenschaftler beauftragt hatte, die Beobachterfunktion auf POLARSTERN zu übernehmen POLARSTERN setzte am 12. August den hydrographischen Schnitt vom Amundsen-Becken übed en Lomonossow-Rücke fort und erreichte am 15. August das Makarov-Becken. Die anschließend Marschfahrt nach Süde war wieder durch breite Rinnen begünstigts o da die gewonnene Zeit füe in erweitertes Meßprogram auf der südlichere Traverse übed en Lomonossow-Rücke genutzt werden konnte. Im Amundsen-Becken wurde ein Meßnet von meteorologischen und ozeanographischen automatischen Driftstationen auf dem Meereis ausgelegt, das übee ine länger Zeit den atmosphärische Antrieb und die ozeanischen Größ in der oberen Wassersäul im Zentrum des Transpolaren Eisdriftstroms messen soll. Auf der Strecke zu den drei Verankerungen in der Umgebung des Kontinentalhanges und des südliche Lomonossow-Rückenv erdichtete sich die Eiskonzentration so stark, da die hydrographischen Messungen im nördliche Verankerungsgebiet sogar teilweise reduziert werden mußten Trotz der ungünstige Eisbedingungen gelang es, alle drei Verankerungssysteme in verhältnismäÃk urzer Zeit sicher zu bergen. Dieser Erfolg beruht zum einen auf der guten technischen Konzeption der Verankerungen und zum anderen auf dem geschickten Handeln der erfahrenen Schiffsführun und der verantwortlichen Wissenschaftler und Techniker. Der Zeitgewinn beim Bergen der Verankerungen ging zumindest in Teilen durch weiter anhaltende Fahrtverzögerunge im Preßei wieder verloren. Neben kürzereZ wangsstillstände blieb POLARSTERN einmal 14 Stunden zwischen zusammengepreßte Schollen stecken. Glücklicherweisw ar die Region gerade zu dieser Zeit wolkenarm, so da den an Bord empfangenen Satellitenbildern nützlich Informationen übed ie Eisverteilung entnommen werden konnten. Danach hatten sich um 100 km lange Rinnen in Fahrtrichtung des Schiffes gebildet, die ein leichtes Vorankommen durch das im übriges tark gepreßt Eis versprachen. Hubschraubererkundungsflügb estätigte diesen Befund, so da POLARSTERN nach zunächs aufwendigem Rammen innerhalb von zwei Tagen die Eisrandzone erreichen konnte. Hier stand wieder ausreichend Zeit fü umfassende Messungen aller Disziplinen zur Verfügung Insbesondere wurden die biologischen Beprobungen verdichtet und die Untersuchungen zur atmosphärische Grenzschichtturbulenz ausgedehnt. Nach Abschluà des gesamten Meßprogramm am 5. September 1996 verlieà POLARSTERN das Meereis und lief in der nahezu eisfreien Laptevsee westwärt in Richtung Vilkitskystraße Dort wurde auf einer kleinen Insel ein vor einem Jahr angelegtes Meßfel auf dem Festeis mit einem Hubschrauber besucht, um Informationen übeS chmelz- und Gefrierprozesse zu gewinnen. Der Weg durch die Vilkitskystraße die Karasee und die Barentssee bis nach Murmansk war in diesem Jahr eisfrei und erlaubte wiederum einen Zeitgewinn, der einer wünschenswerte Verlängerun der Umrüstzedi es Schiffes in Bremerhaven zugute kam. Währen eines kurzen Hafenaufenthaltes in Murmansk am 15.116. September verließe ein finnischer und sechs russische Wissenschaftler sowie der Eislotse das Schiff, das dann die Reise durch die Barentssee, die Norwegische See und die Nordsee heimwärt fortsetzte. Am 23. September lief POLARSTERN in Bremerhaven ein, wo sich im Laufe des Tages alle Wissenschaftler und Techniker ausschifften. 2. Summary and Itinerary The multinational expedition ARCTIC '96 was carried out jointly by two ships, the German RV POLARSTERN and the Swedish RV ODEN. The research programme was developed by scientists from British, Canadian, Finish, German, Irish, Norwegian, Russian, Swedish and US American research institutions and universities.The multidisciplinary field programme was shared between the two ships On the basis of their specific technical capabilities. Thus, the work On the ODEN concentrated on geology, geophysics, air chemistry and sea ice remote sensing while the investigations on POLARSTERN were devoted to physical, chemical and biological oceanography, sea ice physics and biology as well as to the atmospheric boundary layer. The physical programme on POLARSTERN was primarily designed to foster the Arctic Climate System Study (ACSYS) in the framework of the World Climate Research Programme (WCRP). Investigations during the recent years have provided substantial evidence that the Arctic Ocean and the adjacent shelf seas play a significant role in the thermohaline oceanic circulation and may therefore have a distinct influence on global climate. Consequently the main ACSYS goals are concerned with studies of the governing oceanic, atmospheric and hydrological processes in the entire Arctic region. Among those the description and modelling of the circulation, the water mass modification as well as the energy and matter transports in the Arctic Ocean are of high importance. On POLARSTERN measurements were conducted in this respect to - specify hydrographic structures on the transect from Franz Joseph Land to Severnaya Zemlya which will enable one to determine the water mass exchanges between the shelf seas and the deep Arctic basins via the St. Anna and Voronin Troughs , - describe the circulation within the Nansen and Amundsen Basins as well as to detect the topographic influence of the Lomonosov Ridge on the water mass spreading across the basins, - observe the time variations of the currents, the heat and the salt transports along the continental slope and across the ridge, - determine the atmospheric forcing On sea ice under different large scale atmospheric flow conditions - provide information on the thickness and surface morphology of sea ice in various regions of the Arctic Ocean. In addition to these ACSYS related topics measurements were carried out to study the sea ice biota, to describe the lateral distribution of phytoplankton and zooplankton and to identify the governing chemical processes in the water columns of different circulation branches. For these purposes measurements were made from the ship, with the aid of helicopters and from ice floes with a series of Instruments some of which have been newly developed. The physical and chemical data will, among others, serve to test and to improve present and future ocean, sea ice and climate models. On POLARSTERN 43 Crew, 1 ßussia ice pilot and 53 scientists and technicians from Germany (29), Sweden (7), ßussi (6), USA (5), Canada (3), Finland (I), Ireland (1) and the United Kingdom (1) participated in the cruise. The measurements were carried out by multinational subgroups and the processing and scientific analysis of the data will also be done jointly by members of the participating institutions in the near future. The cooperation between the ODEN and the POLARSTERN during the expedition was mainly restricted to logistic matters. During two rendezvous at sea personnel, scientific gear and fuel were exchanged. Daily radio conferences were held for mutual Information on the current activities on both ships as well as on weather and ice conditions. POLARSTERN departed from Bremerhaven on Friday, 12 July 1996 and she arrived after a smooth voyage on 19 July in Murmansk, ßussiaH ere 7 Russian and 1 Finish scientists and 2 ice pilots embarked. Local representatives visited the ship during the afternoon of the Same day in the framework of a cocktail reception. POLARSTERN left port again on 20 July for the Kara Sea. When she had passed the Russian territoral waters she met a small tanker at sea to top up her fuel tanks in final preparation for the long voyage into the ice covered Arctic Ocean. The pack ice was encountered on 23 July at about 78ON in the Barents Sea half a day before the first rendezvous with the Swedish partnership ODEN. During this meeting 1 scientist and 1 ice pilot as well as some Instruments were transferred from POLARSTERN to ODEN and the Russian observer who was in charge for both ships moved to POLARSTERN to stay there for the next 3 weeks. Figure 1: Cruise track of RV POLARSTERN during ARCTIC '96 The two ships separated on 24 July when POLARSTERN commenced the first hydrographic section across the St. Anna and Voronin Troughs as shown in Fig. 1 and ODEN continued her northward course towards the Lomonosov Ridge. Hydrographie vertical profiles were measured with the aid of a CTD (conductivity, temperature, depth) sonde, rosette water samplers and occasionally an acoustic doppler current profiler (ADCP). The dense hydrographic network on all transects included at various stations also biological net hauls, measurements on ice floes and atmospheric turbulente investigations. For the latter a new vertically pointing mast with acoustic anemometers and thermometers was attached to the bow crane. Furthermore, a sophisticated device, the HELIPOD which was suspended at a 15 m long cable below a helicopter to measure turbulent fluxes along specific flight tracks at various heights. On the way from Franz Joseph Land to Severnaya Zemlya the ship's motion was increasingly slown down towards the east by highly concentrated and partly compressed sea ice. Finally POLARSTERN had to make a 30 nm side step to the north to be able to finalyse the full section across both troughs on 1 August 1996. On the eastern side of the transect the first meteorological automatic surface buoy was deployed on an ice floe. At about 82ON 1 90° POLARSTERN set course first towards north to Cross the continental slope and afterwards to the northeast for a