Wie zählt man eigentlich Eisbären?

Haben Sie sich auch schon einmal gefragt: „Wie zählt man eigentlich Eisbären?“

Foto: Christopher Michel

Foto: Christopher Michel

Ich habe mich das erste Mal im Sommer 2013 mit dieser Frage beschäftigt, als ich mehr oder weniger per Zufall auf ein Essay, des erimitierten Professors Jim Steele von der San Francisco State University, gestoßen bin. Er kritisiert darin auf humorvolle Weise die Rückfangmethode (auf Englisch Mark – Recapture oder Capture – Recapture), mit der die meisten Erkenntnisse über die Größe der Eisbärenpopulation gewonnen wurden, und die Schlüsse, die mit ihrer Hilfe gezogen werden. Es ist ein amüsantes Essay, auch wenn ich den Schlüssen, die der renommierte Biologe zieht, nicht folgen kann. Jim Steele ist einer der Skeptiker des globalen Klimawandels. Er vertritt im Gegensatz zu der Mehrheit der Wissenschaftler die Auffassung, dass in erster Linie zyklischen Phänomene wie El Niño oder die Pazifische Dekaden-Oszillation regionale Veränderungen des Klimas hervorrufen und das Aussterben von Tierarten durch die Veränderung natürlicher Landschaften durch den Menschen verursacht wird. Und natürlich kommt er am Ende des Essays zu dem Schluss, dass die Vorhersage, dass die Eisbärenpopulation bis zur Mitte des Jahrhunderts auf ein Drittel geschrumpft sein wird, falsch ist. Es würde mich freuen, wenn er recht hätte, allein in diesem Fall bin ich skeptisch.

Sein Essay hat mich jedenfalls darüber nachdenken lassen, wie denn nun genau Eisbären gezählt werden. Und diese Frage hat mich schließlich auf die Internetseiten der Polar Bear Specialist Group der IUCN geführt und am Ende bin ich in Frankreich Ende des 18. Jh. gelandet, wo Pierre Simon Laplace, ein berühmter französischer Mathematiker, vor dem Problem stand, die Größe der Bevölkerung Frankreichs schätzen zu wollen, ohne eine genaue Volkszählung durchzuführen zu können. Auf der Methode, die Laplace anwandte, basiert auch heute noch die Rückfangmethode, eine der Möglichkeiten die Größe der Populationen von Wildtieren festzustellen.

In der Zeit als Laplace seine Methode entwickelte, wurden alle Geburten in Frankreich in den Kirchenbüchern registriert. Laplace ließ die Daten aus allen französischen Gemeinden sammeln und kannte so, die Gesamtzahl der Kinder, die in Jahren 1879 bis 1801 geboren worden waren. Dies waren seine „markierte“ Individuen. Dann ließ er in bestimmten Gemeinden die genaue Bevölkerungszahl und die Anzahl der Geburten ermitteln. Dabei wählte er Gemeinden aus, die besonders „zuverlässige und intelligente Bürgermeister“ hatten. So wusste er im September 1802, dass in diesen Gemeinden 2.037.615 Menschen lebten und in den letzten drei Jahren im Durchschnitt 71.866,33 Kinder geboren wurden. Er erhielt also in diesen Gemeinden ein Verhältnis von Bürgern zu Geburten von 28,352845. Dieses multiplizierte Laplace mit der Anzahl der Geburten in ganz Frankreich und erhielt so eine Schätzung der Bevölkerung. Interessanterweise verwendete der nicht die genaue Anzahl der Geburten aus dem Jahr 1801, die ihm bekannt war, sondern eine darauf basierende Schätzung. Er schrieb in seinem „Philosophischen Versuch über die Wahrscheinlichkeiten“, das 1814 veröffentlicht wurde: „Ich fand heraus, dass, wenn man die jährliche Anzahl der Geburten in Frankreich mit einer Million annimmt, wodurch man eine Bevölkerung von 28.352.845 Bewohnern erhält, und man mit 300.000 zu eins wetten kann, dass der Fehler dieses Ergebnisses noch nicht einmal eine halbe Million beträgt.“

Wissenschaftler des U.S. Fish & Wildlife Service bei einer Mark-Recapture Studie - Foto: Steve Amstrup USGS

Wissenschaftler des U.S. Fish & Wildlife Service bei einer Mark-Recapture Studie – Foto: Steve Amstrup USGS

Wie man diese Methode auf die Schätzung der Anzahl, der in einer bestimmten Region lebenden Eisbären überträgt, erklärt folgendes stark vereinfachtes Beispiel: Man fängt in einem Jahr in der Region 100 Eisbären ein und markiert diese, bevor man sie wieder freilässt (Capture). Im nächsten Jahr fängt man in der gleichen Region wieder 100 Bären ein (Recapture). Wenn sich unter diesen jetzt 10 markierte Tiere befinden, geht man davon aus, dass 10/100 = 10% der Eisbären dieser Population markiert wurden und damit die Population aus 100 / 0,1 = 1000 Eisbären besteht.

Allerdings ist es nicht ganz so simpel. Denn erstens setzt man bei dieser Vorgehensweise voraus, dass die Zahl der Tiere in dem Zeitraum zwischen den beiden Untersuchungen konstant geblieben ist, dass also keine Tiere gestorben sind, keine geboren wurden und auch keine aus der Region weg oder in die Region zugewandert sind. Dieser Problematik kann man dadurch begegnen, dass man genügend Eisbären aller Altersgruppen markiert, denn dann ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein markiertes Tier stirbt oder abwandert, genauso groß wie für den unmarkierten Teil der Population und das Ergebnis wird nicht beeinflusst. Zweitens darf sich die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Eisbär auch beim zweiten Mal wieder einfangen lässt, verglichen mit dem ersten Fang nicht ändern. Sinkt diese Wahrscheinlichkeit wird die Populationsgröße zu groß geschätzt. Beide Voraussetzungen sind nicht realistisch.

Verwendet man in der Biologie eine Capture – Recapture – Analyse zur Schätzung der Größe einer Wildtier-Population unterscheidet man zwischen offenen und geschlossenen Populationen. Bei einer geschlossenen Population ändert sich im Untersuchungszeitraum die Anzahl der Tiere in einem Gebiet nicht, es kommen keine Tiere von außen hinzu und es wandern auch keine ab. Dies ist eine Voraussetzung, die man dann annehmen kann, wenn die Zeitspanne zwischen dem ersten Einfangen und dem Rückfang ziemlich kurz ist. Die ersten Anwendungen der Rückfangmethode befassten sich mit geschlossenen Populationen.

Nun sind Eisbärenpopulationen ganz bestimmt nicht geschlossen. Eisbären können in der Wildnis bis zu 30 Jahre alt werden, die Fortpflanzung ist langwierig und der Zeitraum, bis die Jungtiere entwöhnt werden, ist lang. Ja und dann wandern Eisbären über riesige Gebiete. So gibt es eine Vielfalt in der Zusammensetzung von Geschlecht und Alter zu jedem Zeitpunkt in der Eisbärenpopulation einer bestimmten Region und dies beeinflusst auch das individuelle Verhalten der Tiere. Der eine Eisbär wird eher weglaufen, wenn er einen Hubschrauber hört, der andere sich verstecken. So besteht für die einzelnen Eisbären nicht die gleiche Chance eingefangen zu werden, erst recht nicht bei einem Rückfang. Denn Eisbären sind intelligente Lebewesen, die aus einer Erfahrung, die sie durchgemacht haben, lernen.

Eisbär bei Velkomstpynten, Spitzbergen - Foto: Allan Hopkins

Eisbär bei Velkomstpynten, Spitzbergen – Foto: Allan Hopkins

Also muss die Auswertung der Ergebnisse, die durch die Rückfangmethode gewonnen werden, diesen Sachverhalten angepasst werden. Im Laufe der Zeit wurden komplizierte mathematische Modelle entwickelt, die recht zuverlässige Schätzungen von offenen und dynamischen Populationen ermöglichen und Computer helfen dabei.

Auch wenn Jim Steele sich in seinem Essay über diese Methode lustig macht und sie scheinbar ad absurdum führt, hat er selbst sie in seiner eigenen wissenschaftlichen Arbeit, bei der Untersuchung von Vogelpopulationen im Tahoe National Forest, verwendet. Er sollte seinen wissenschaftlichen Kollegen, die sich mit Eisbären befassen, vielleicht etwas mehr Vertrauen entgegen bringen.

Aber nicht in jeder Region kann man die Rückfangmethode anwenden. Eine zweite Möglichkeit ist, die Eisbären vom Flugzeug oder Hubschrauber aus zu zählen. Da eine vollständige Zählung der Tiere aufgrund der großen Verbreitungsgebiete der Eisbären nicht möglich ist, definiert man z. B. einen Streifen einer bestimmten Breite und Länge und zählt die Eisbären, die sich in diesem Streifen aufhalten, wenn er überflogen wird. Mehrere solcher in der Regel parallel verlaufender Streifen werden überflogen, die Ergebnisse addiert und die Gesamtzahl der Tiere der Region wird dann mit statistischen Methoden extrapoliert. Diese Vorgehensweise nennt man Streifen-Transekt-Methode (auf English „strip transect“). Dabei darf man die Streifen nur so breit wählen, dass die Wahrscheinlichkeit ein Tier zu entdecken für die gesamte Breite der Streifens gleich ist.

Die Linien-Transekt-Methode (line-transect), die heute meist angewandt wird, funktioniert ähnlich. Hierbei wird eine lange Linie festgelegt, der Transekt, der überflogen wird. Es werden die Eisbären, die man rechts und links dieser Linie entdeckt, ihre Gruppengröße (einzelnes Männchen oder Weibchen, Mutter mit Jungtieren) und die Entfernung, die sie von dem Transekt haben, erfasst. Zusätzlich wird dokumentiert, wie schwierig das Gebiet zu überblicken ist (leicht, mittel oder schwer). Dies ist notwendig, um die Wahrscheinlichkeit berechnen zu können, mit der ein Eisbär entdeckt wird. Je näher der Bär sich am Transekt aufhält, um so eher wird er entdeckt. In einem leicht zu überblickenden Gebiet, wie dem Meereis, ist die Wahrscheinlichkeit größer einen Eisbären vom Flugzeug aus zu sehen, als in einem Gebiet mit Bergen und Gletschern. Auf Basis dieser Daten kann man dann die Anzahl der Tiere, in dem überflogenen Gebiet ermitteln, und aufgrund dieses Ergebnisses dann die Gesamtzahl der Eisbären in der gesamten Region schätzen.

Foto: Nick Cobbing - Norwegian Polar Institut

Foto: Nick Cobbing – Norwegian Polar Institut

Man misst die Entfernungen mit Hilfe von einem Laser, was im Allgemeinen gut auf dem Land, aber nicht auf Meereis funktioniert, von einem Neigungsmesser oder Klinometer, der damit ermittelte Neigungswinkel ermöglicht es zusammen mit der Flughöhe, die Distanz des anvisierten Eisbären zum Transekt zu bestimmen, oder von der GPS Position des Eisbären. Die genauesten Ergebnisse liefert die dritte Methode. Dabei wird die Distanz zur Transektlinie mit einer speziellen Software bestimmt. Allerdings ist sie eher für eine Zählung vom Hubschrauber aus geeignet, weil man so schneller und genauer zu dem Punkt über dem Eisbären gelangen kann, um die GPS Position zu bestimmen.

Bei der im Herbst 2015 durchgeführten Zählung der Eisbären im Gebiet von Spitzbergen, wurden die Eisbären auf dem Land vom Hubschrauber aus entlang von Transekt Linien gezählt. Zusätzlich wurde ein rechteckiges Gebiet im Norden von Spitzbergen über dem driftenden Meereis, das 300 Kilometer lang und 200 Kilometer breit war, auf parallelen Linien, die 4,5 Kilometer voneinander entfernt lagen, mit Hubschraubern überflogen. Dabei war es auch wichtig, das gesamte Gebiet in einem möglichst kurzen Zeitraum zu überfliegen, damit man nicht den selben Eisbären mehrfach zählt.

 Eisbären, die Eisbären mit hochauflösenden Satellitenbildern und mit einer Hubschrauber-basierten Zählung erkannt wurden auf Rowley Island (dunkel grau) im Norden des Foxe-Basins. Die Transekten haben einen Abstand von 7 Km.

Eisbären, die mit hochauflösenden Satellitenbildern und mit einer Hubschrauber-basierten Zählung erkannt wurden auf Rowley Island (dunkel grau) im Norden des Foxe-Basins. Die Transekten haben einen Abstand von 7 Km. doi: 10.1371 / journal.pone.0101513.g001

Hochauflösende Bilder von Satelliten könnten eine neue Möglichkeit bieten, die Größe der 19 Eisbären-Subpopulationen rund um den Nordpol zu bestimmen. Man kann man ihrer Hilfe, die Eisbären vom All aus zählen.

2014 wurde eine Zählung der Eisbären auf dem Rowley Island in Nunavut’s Foxe Basin mit Hilfe von Hubschraubern durchgeführt und dabei 77 Eisbären gesichtet, was zu einer Schätzung der Anzahl der Eisbären auf der Insel von 102 Tieren führte. Zum Vergleich wurden die Eisbären zusätzlich auf hochauflösenden Satellitenfotos dieser Region bestimmt. So wurden 94 Eisbären gezählt. Eine signifikante Übereinstimmung der Konfidenzintervalle beider Zählungen, lässt die Zählung von All aus durchaus vielversprechend für die Zukunft erscheinen, da sie auch in Gebieten möglich ist, bei der andere Methoden nur sehr schwierig durchzuführen wären.

Doch es gibt noch einige Probleme. Zum einen können auf den Satellitenfotos keine Jungtiere entdeckt werden – sie sind zu klein. Zum anderen hat die manuelle Auswertung der Satellitenbilder der 1.100 km² großen Insel etwa 100 Stunden gedauert. Es scheint kaum möglich zu sein, Fotos eines Gebietes von Hunderttausenden Quadratkilometern auf diese Art und Weise auszuwerten. Man muss also Computerprogramme entwickeln, die dies übernehmen. Eine Aufgabe, die nicht so leicht umzusetzen sein wird, wenn man bedenkt, dass ein Eisbär auf einem Satelliten Foto nur ein etwa sechs bis acht Pixel großer heller Fleck ist und auch nur dann identifiziert werden kann, wenn er sich auf einem dunkleren Untergrund aufhält.

Satelliten Fotos - DigitalGlobe - Plos One - doi 10.1371 - journal.pone.0101513.g002 aSatelliten Fotos - DigitalGlobe - Plos One - doi 10.1371 - journal.pone.0101513.g002 b

Ein Beispiel für hochauflösende Satellitenbilder, die verwendet wurden um Eisbären zu erkennen. Es sind Bilder der Rowley Insel im Foxe Basin, Nunavut, aus dem Spätsommer 2012. Auf dem Foto (A)  wurden zwei Eisbären entdeckt (gelbe Kreise). Das Foto (B) wurde zum Vergleich verwendet. Die Eisbären sind nicht mehr da. Die Landschaftselemente sind auf beiden Fotos vorhanden. Sie sind mit roten Pfeilen gekennzeichnet. Satellitenbilder unter einer CC-BY-Lizenz gedruckt, mit freundlicher Genehmigung von Digitalglobe © 2013. doi: 10.1371 / journal.pone.0101513.g002

Quellen – Sources:

Jim Steele, How “Science” Counts Bears.

Polar Bear Specialist Group: Dr. Steve Amstrup, Trent McDonald, Mark-recapture

Simon Pierre Laplace, Essai Philosophique sur les probabilités

Polar Bear Specialist Group: Dr. Jon Aars, Line-transect surveys

Norwegian Polar Institut: Tiago Marces, How we estimate bear density

Stapleton S, LaRue M, Lecomte N, Atkinson S, Garshelis D, et al. (2014), Polar Bears from Space: Assessing Satellite Imagery as a Tool to Track Arctic Wildlife, PLoS ONE

Nature World News: Polar Bears from Space: Satellite Imagery to Count Populations

University of Washington, Conservation Magazine, Counting Polar Bears from Space

Polar Bears International: Polar Bears from Space

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