Die neueste globale Fernerkundungsstudie mit künstlicher Intelligenz zeigt, dass sich Schwebealgen auf der Oberfläche der Weltmeere rasch ausbreiten, was darauf hindeutet, dass die biologischen Meeressysteme möglicherweise einen tiefgreifenden Wandel durchlaufen. Das Forschungsteam wies darauf hin, dass dieser Trend eng mit Veränderungen der Meerwassertemperatur, der Meeresströmungen und der Nährstoffmuster zusammenhängt und in Zukunft weitreichende Auswirkungen auf die Meeresökologie, den Tourismus und die Küstenwirtschaft haben könnte. Die von Wissenschaftlern der University of South Florida und der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) geleitete Forschung unterstreicht die entscheidende Rolle künstlicher Intelligenz bei der Verarbeitung extrem umfangreicher Meeresbeobachtungsdaten.
Dies ist das erste Mal, dass Forscher Schwebealgen auf der Meeresoberfläche auf globaler Ebene systematisch analysiert haben, wobei sie große makroskopische Algenflöße und Mikroalgenoberflächenfilme umfassten, und ein Gesamtbild ihrer Verbreitung und Veränderungen in den letzten zwei Jahrzehnten lieferten. Hu Chuanmin, korrespondierender Autor der Arbeit und Professor für Ozeanographie an der School of Marine Science der University of South Florida, sagte, dass die Forschungsergebnisse zeigen, dass die heutige globale Meeresumwelt im Allgemeinen das Wachstum schwimmender Makroalgen begünstigt. Er wies darauf hin, dass Makroalgen wie Seegras und Braunalgen in der Hochseeumgebung Lebensraum für eine Vielzahl von Meeresorganismen bieten und als wichtige Brutstätten für die Fischerei dienen können, was sich positiv auf die Umwelt auswirkt. Sobald diese Algenmassen jedoch durch Meeresströmungen in Küstengebiete transportiert werden, wird ihr massiver Tod und Verfall die Touristenlandschaft schädigen, die lokale Wirtschaft beeinträchtigen und die Gesundheit der Küstenbewohner und des Meereslebens gefährden.
Die Studie nutzte Satellitenbeobachtungsdaten von 2003 bis 2022 und stellte fest, dass sowohl Mikroalgenfilme als auch schwimmende Makroalgencluster auf der Meeresoberfläche weltweit zunehmen. Statistiken zeigen, dass die Abdeckungsfläche von Mikroalgen mit einer Rate von etwa 1 % pro Jahr stetig zunimmt, während Makroalgen in einigen Meeresgebieten viel schneller expandieren. In den tropischen Atlantik- und Westpazifikregionen beträgt die jährliche Wachstumsrate sogar 13,4 %, insbesondere nach 2008 hat sich die Wachstumsrate deutlich beschleunigt. Bis zum Ende des Untersuchungszeitraums hatte die Gesamtfläche der globalen Mikroalgen-Ausbruchsgebiete an der Meeresoberfläche 43,8 Millionen Quadratkilometer (ungefähr 16,9 Millionen Quadratmeilen) erreicht, was eine deutliche Abweichung vom vorherigen historischen Verteilungsmuster darstellt. Das Forschungsteam geht davon aus, dass diese Zahlen auf einen „Regimeübergang“ von einem „makroalgenarmen“ Ozean zu einem „makroalgenreichen“ Ozean hinweisen.
Der Zeitachse nach zu urteilen, traten um das Jahr 2010 herum an mehreren wichtigen Wendepunkten großflächige Ausbrüche makroskopischer Schwebealgen auf. Im Jahr 2008 verzeichnete das Gelbe Meer den ersten großflächigen Grünalgenausbruch von Enteromorpha; im Jahr 2011 kam es im tropischen Atlantik zu einem großflächigen Ausbruch der Braunalge Sargassum; und im Jahr 2012 ereignete sich ein weiteres großes Sargassum-Ereignis im Ostchinesischen Meer. Hu Chuanmin wies darauf hin, dass es vor 2008, mit Ausnahme von Sargassum im herkömmlichen Sinne, in fast keinem anderen Gebiet einen so großflächigen Ausbruch schwimmender Makroalgen gegeben habe. Mittlerweile ereignen sich ähnliche Ereignisse in mehreren Meeresregionen, was den Forschern Anlass zu der Annahme gibt, dass der globale Ozean in eine neue Phase eintritt, die durch eine hohe Fülle an schwimmenden Makroalgen gekennzeichnet ist.
Der Schlüssel zum Abschluss dieser Arbeit liegt in der Anwendung von Technologien der künstlichen Intelligenz wie Deep Learning. Das Forschungsteam trainierte ein Deep-Learning-Modell für 13 typische Meeresgebiete und 5 verschiedene Arten von Schwebealgen, um etwa 1,2 Millionen Satellitenbilder des Ozeans Pixel für Pixel zu identifizieren. Schwebealgen machen oft nur einen sehr kleinen Teil oder sogar weniger als 1 % eines Pixels in einem einzelnen Satellitenbild aus und ihre räumliche Verteilung ist stark fragmentiert, sodass sie bei herkömmlichen Algorithmen leicht vom Rauschen überwältigt werden. Durch die automatische Extraktion und Klassifizierung subtiler „visueller Signale“ ist das KI-Modell in der Lage, Spuren dieser Algen auszusortieren, die manuell auf globaler Ebene nur schwer zu identifizieren sind.
Qi Lin, der Erstautor des Papiers und Ozeanograph am Satellitenanwendungs- und Forschungszentrum des National Environmental Satellite Data and Information Service (NESDIS), nahm Verbesserungen auf der Grundlage des Modells des Vorgängerteams vor, die es ihm ermöglichten, 20 Jahre globale Meeresfernerkundungsdaten effizient zu verarbeiten. Das Modelltraining selbst dauert Monate und erfordert die Analyse und Optimierung von Millionen von Bildmerkmalen. Die Forschung stützte sich auch auf die Hochleistungsrechnerplattform des University of South Florida Research Computing Center, um eine parallele Verarbeitung mehrerer Bildsätze zu erreichen. Selbst mit der Unterstützung dieser Infrastruktur dauerte es noch mehrere Monate, bis die Analyseaufgabe von 1,2 Millionen Bildern abgeschlossen war. Ziering betonte, dass diese Arbeit ohne diese Computerplattform und die langfristige und stabile Zusammenarbeit zwischen NOAA und der University of South Florida nahezu unmöglich wäre.
Als treibende Faktoren geht die Studie davon aus, dass menschliche Aktivitäten und der Klimawandel die beiden Hauptursachen für die Ausbreitung von Schwebealgenausbrüchen sind. Aus Flüssen und Küstengebieten abfließende Nährsalze werden kontinuierlich ins Meer transportiert, wodurch der Gehalt an Stickstoff, Phosphor und anderen Nährstoffen in der Meeresoberfläche ansteigt und ausreichend „Dünger“ für Algen zur Verfügung steht. Gleichzeitig hat die globale Erwärmung dazu geführt, dass sich die Ozeane weiter erwärmen, wodurch sich die Schichtstruktur des Meerwassers und die Meeresströmungsmuster verändern und thermische und dynamische Bedingungen entstehen, die in einigen Meeresgebieten besser für eine schnelle Algenvermehrung geeignet sind. Das Forschungsteam wies darauf hin, dass sich die spezifischen Antriebsmechanismen in verschiedenen Regionen erheblich unterscheiden können und durch weitere regionale Beobachtungen und Simulationen aufgeklärt werden müssen.
Aus ökologischer Sicht bieten schwimmende Makroalgen einerseits Schutz für eine Vielzahl von Meereslebewesen, darunter Sargassum-Fische, und erhöhen die lokale Artenvielfalt und die Fischereiressourcen. Andererseits führen die großen Humusmengen, die beim Transport an die Küste entstehen, dazu, dass der Strand „von Algen überschwemmt“ wird, gelöster Sauerstoff verbraucht wird und während des Zersetzungsprozesses schädliche Gase freigesetzt werden, was das Risiko der Eutrophierung und Hypoxie in Küstengewässern erhöht. Für Küstengemeinden, die auf Badetourismus angewiesen sind, zerstört die großflächige Ansammlung von Algen nicht nur die Landschaft, sondern treibt auch die Reinigungs- und Wartungskosten in die Höhe, was sich negativ auf die Kette von Hotels, Restaurants und anderen verwandten Branchen auswirkt. In einigen einkommensschwachen Küstengebieten werden solche ökologischen Ereignisse durch klimatische Belastungen verschärft und stellen zusätzliche Herausforderungen für die Existenzsicherung gefährdeter Gemeinschaften dar.
Mit Blick auf die Zukunft plant das Forschungsteam, weitere Satellitenbeobachtungsdaten zu integrieren, um die Ausbreitungsmuster verschiedener Meeresgebiete und verschiedener Algenarten zu verfeinern, und versucht, die KI-Erkennungsergebnisse mit numerischen Ozeanmodellen zu koppeln, um die Vorhersagefähigkeit der Bildung, Drift und Landung schwimmender Algenmassen zu verbessern. Qi Lin sagte, der nächste Schritt werde sich auf die Klärung des relativen Gewichts der wichtigsten treibenden Faktoren in jeder Region konzentrieren, um eine gezieltere wissenschaftliche Grundlage für die Küstenverwaltung und das adaptive Management zu schaffen. Berichten zufolge wurde diese Studie mit dem Titel „Global Floating Algal Blooms Are Expanding“ im Dezember 2025 in „Nature Communications“ veröffentlicht und verdeutlicht die rasche Umgestaltung des ökologischen Musters der Meeresoberfläche im Kontext des Klimawandels.