Messungen unter dem Eis
Die Unterseite des Meereises, die in direktem Kontakt mit dem darunterliegenden Ozean steht, ist für die Forschung von besonderem Interesse. Hier tritt als Folge von Entsalzungsprozessen hochkonzentrierte Sole aus, hier wächst die geschlossene Eisdecke langsam weiter und gerade hier wimmelt es nur so vor Leben. Denn die komplexe Nahrungskette nimmt an der Eisunterseite ihren Anfang. Unzählige Algen bauen hier Biomasse auf und schaffen damit eine Lebensgrundlage für eine Vielzahl von Würmern, Krebstieren, Fischlarven und Jungfischen, die direkt unter dem Eis nicht nur fressen, sondern sich hier auch vor Räubern verstecken. Gerade diese aus wissenschaftlicher Sicht hochinteressante Eisunterseite ist aber besonders schwer für den Menschen zugänglich. Hier zeigen wir Ihnen, wie es mit modernster Technologie wie den ferngesteuerten Tauchrobotern (Remotely Operated Vehicles, ROVs) gelingt, die magische Welt unter dem Eis schonend zu erforschen.
Ein „Remotely Operated Vehicle (ROV)“ ist ein Unterwasser-Tauchroboter, der an einem Kabel befestigt das Meereis von unten untersucht und dabei von einer Kontrolleinheit auf dem Meereis oder an Bord eines Schiffes gesteuert wird. Die Art der Messungen, bzw. der gemessenen Parameter, ist je nach ROV sehr unterschiedlich. Auch die Komplexität des Messsystems variiert stark und reicht von einfachen schwimmenden Kameras bis zu sehr komplexen Multisensor-Plattformen. Mit Tauchrobotern kann die nur schwer zugängliche Unterseite des Meereises wiederholt, schonend und zerstörungsfrei untersucht werden.
Die häufigsten Anwendungsbereiche von ROVs in der Meereisforschung sind:
- Video- und Fotoaufnahmen der Unterseite des Meereises
Diese werden zumeist zur Dokumentation des Tauchgangs verwendet, werden aber auch direkt ausgewertet, um beispielsweise die Verteilung von Biomasse im und unter dem Meereis zu quantifizieren. Ebenfalls lassen sich so Presseisrücken und dynamische Strukturen untersuchen und deren zeitliche Entwicklung nachverfolgen. Zusätzlich werden ROVs verwendet, um andere Sensoren und Geräte unter dem Meereis zu prüfen oder teilweise auch auszubringen oder einzuholen. - Lichtmessungen unter dem Meereis
Lichtdurchlässigkeit und Lichtintensität sind wesentliche Komponenten bei der Bestimmung der Energiebilanz des Meereises und des oberen Ozeans. Hier werden häufig spektrale Radiometer verwendet, mit denen die Lichtverhältnisse in unterschiedlichen Tiefen kartiert werden. - Dicken- bzw. Tiefgangmessungen des Meereises
Echolotmessungen ergeben den Abstand vom ROV zum Eis und gemeinsam mit der Tiefe des ROVs den Tiefgang des Meereises. Diese Messungen können als Punktmessungen oder über Fächerecholote ausgeführt werden und so die Topographie der Unterseite des Meereises kartieren. Aus Veränderungen über die Zeit lassen sich Schmelz- und Gefrierraten des Meereises ableiten. - Ozeanographische Messungen
Neben Messinstrumenten, die direkt auf die Eigenschaften des Meereises abzielen, haben viele ROV-Systeme Sensoren an Bord, die physikalische, biologische und geochemische Parameter des Ozeans erfassen – etwa den Salzgehalt, die Temperatur, den Sauerstoffgehalt oder die Menge an Chlorophyll und gelösten Stoffen in der Wassersäule. Daraus lassen sich Informationen über das Ökosystem im und unter dem Meereis ableiten. - Schleppen von Netzen
Größere Systeme können auch Netze schleppen, mit denen beispielsweise Zooplankton gefischt werden kann. Das hilft dabei, die genaue Zusammensetzung des Ökosystems zu bestimmen und nach Tiefen und Regionen unter dem Eis zu unterscheiden.
ROVs werden zumeist bei Stationsarbeiten vom Meereis aus oder direkt von Bord gesteuert. Das ROV-System besteht immer aus dem Tauchroboter selbst und einer Oberflächeneinheit, die im Wesentlichen ein großes Computersystem darstellt. Dieses System ist dafür zuständig, alle Daten für den Piloten aufzubereiten, zu visualisieren und zugleich zu speichern. Ein zentrales Element ist die Steuereinheit, die man sich wie den Controller einer Videospielkonsole vorstellen kann. Die Größe der Oberflächeneinheit reicht von einem einfachen Koffer bis hin zu Systemen, die in Kontrollständen oder -containern verbaut sind.
Die polaren Ozeane erhalten Wärme aus den gemäßigten Breiten durch die Ozeanströmungen, die damit der Meereisbedeckung entgegenwirken. An den Rändern von Grönland und der Antarktis findet eine Wechselwirkung zwischen der Ozeanströmung und den Eisschilden statt. Hierdurch werden neue Wassermassen gebildet, die großen Einfluss auf die globale Zirkulation in den Ozeanen haben.
Mit den Methoden der physikalischen Ozeanographie werden Prozesse im Nordpolarmeer und im Südlichen Ozean untersucht, die zum Verständnis des Klimawandels und der Ökosysteme beitragen.
Die CTD-Sonde, oder auch Kranzwasserschöpfer genannt, misst die Leitfähigkeit und Temperatur entlang eines vertikalen Profils durch die Wassersäule. Hierfür wird die Sonde an einem Stahlseil in den Ozean bis in mehrere tausend Meter Tiefe herabgesenkt. CTD ist eine Abkürzung aus dem Englischen und bedeutet Conductivity, Temperature, Depth: Leitfähigkeit, Temperatur, Tiefe. Die gemessenen Parameter werden zur Bestimmung der Zustandsgrößen Temperatur, Druck und Tiefe verwendet. Der Salzgehalt und die Dichte des Wassers werden aus der Leitfähigkeit unter Berücksichtigung von Temperatur und Druck berechnet. Zusätzlich können während der CTD-Messungen bis zu 24 Wasserproben von jeweils 12 Litern in verschiedenen Wassertiefen genommen werden, um die jeweiligen Wassertiefen auf Spurenstoffe und Kleinstlebewesen zu untersuchen. Die gemessenen Daten werden während der Sondierung durch das Stahlseil übertragen und auf dem Schiff am Computer verfolgt. Hier wird auch entschieden, in welcher Wassertiefe eine Probe genommen werden soll. Die Probennahme erfolgt durch ein Signal vom Schiff, welches das Schließen der Flasche auslöst.
Das System besteht aus der CTD-Unterwassereinheit (SBE9plus mit jeweils angeschlossen Sensoren), der CTD-Schiffsausrüstung (z. B. die Winde), dem Wasserproben-Karussell (SBE32) mit 24 x 12-Liter-Flaschen und einem Datenerfassungscomputer.
Die CTD-Unterwassereinheit ist standardmäßig mit zwei Temperatur- (SBE3plus) und zwei Leitfähigkeitssensoren (SBE4) sowie zwei Pumpen (SBE5T) ausgestattet, die regelmäßig kalibriert werden. In der Regel sind ebenfalls ein oder zwei Sauerstoffsensoren (SBE43) angeschlossen. Mehrere externe Sensoren sind verfügbar, die in Wassertiefen bis zu 6.000 m eingesetzt werden können: Fluorometer für Chlorophyll a und farbige gelöste organische Substanz (CDOM), Transmissiometer, ein Höhenmesser, der den Abstand zum Meeresboden angibt, sowie ein mechanischer Bodendetektor.
Das ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) wurde entwickelt, um ein akustisches Strömungsprofil über einen geräteabhängigen Tiefenbereich im Ozean zu erstellen. Zu den Hauptanwendungen des ADCP gehört die Erstellung von Zeitreihen an festen Standorten mit ozeanographischen Verankerungen sowie die Erstellung von Strömungsprofilen von fahrenden Schiffen aus mit schiffsmontiertem (VM)-ADCP. Der vertikale Bereich, den ADCPs potenziell abdecken können, hängt von der Frequenz und den reflektierenden Partikeln in der Wassersäule ab, wobei Instrumente mit höheren Frequenzen (z. B. 1200 kHz) im Allgemeinen für eine feinere vertikale Auflösung (0,5-m-Messintervall, ~10 m Reichweite) und niedrigere Frequenzen (z. B. 75 kHz) für breitere Anwendungen mit grober vertikaler Auflösung (z. B. 16-m-Messintervall) und größeren Reichweiten eingesetzt werden.
Schiffsbasierte ADCPs (VMADCP) bestehen aus dem sogenannten Schwinger (Impulsgeber), dem elektronischen Gehäuse, dem Computer im Echolotraum und dem Zusatzdisplay am Windensteuerstand. Der 150 kHz-Schwinger ist hinter einem Eisschutzfenster montiert und erreicht eine Wassertiefe von bis zu 350 m mit einer Auflösung von 4 m (Messintervall bei 1 bis 5 Knoten Schiffsgeschwindigkeit) und einer Genauigkeit von etwa 0,30 m/s für eine Single-Ping-Messung.
Hier sehen Sie eine Schemazeichnung einer schiffsbasierten ADCP-Messung. Das Forschungschiff misst während der Fahrt die Strömungsgeschwindigkeit der unter dem Schiff befindlichen Wassersäule in zwei Komponenten, der zonalen, nach Ost-West ausgerichteten Komponente sowie der meridionalen, nach Nord-Süd gerichteten Strömung. Zu sehen ist hier die meridionale Komponente. Die Doppler-Geschwindigkeitsmessung registriert je nach Frequenzgehalt Signal bis etwa 250 m oder bis 1000 m Tiefe. Deutlich zu erkennen ist, dass während der ersten Stunden eine südwärtige Stromung vorherrscht die von einer nordwärtigen abgelöst wird und später wieder ihre Richtung wechselt. Ursache können Gezeitenkräfte oder großskalige Wirbel sein. Die blaue Hintergrundfarbe in der Tiefe zeigt an, dass hier keine Geschwindigkeitsmessungen vorliegen.
Doppler-Strömungsmesser messen die Strömungsgeschwindigkeit in der Wassersäule. Dazu werden akustische Signale in festen Zeitintervallen ausgesendet, welche von Streukörpern im Wasser wie Plankton und Schwebstoffen reflektiert werden. Anhand der Doppler-Frequenzverschiebung der reflektierten Signale wird die Strömungsgeschwindigkeit berechnet. Über die Laufzeit der akustischen Signale ist eine Zuordnung zur relativen Entfernung zum Schwinger möglich.
Doppler-Strömungsmesser werden auf Englisch Acoustic Doppler Current Profiler genannt, weshalb sie mit ADCP abgekürzt werden. ADCPs können auf unterschiedlichsten Plattformen eingesetzt werden. Es gibt verschiedene Varianten von ADCPs die unterschiedliche Frequenzbereiche und Reichweiten abdecken. Die Geräte können je nach Bauart und Konfiguration die dreidimensionale Wassergeschwindigkeit in verschiedenen Tiefenhorizonten messen.
Die Mikrostruktursonde (MSS) ist ein Instrument zur Messung von kleinen Wirbeln und Turbulenzen in der Wassersäule und bietet die beobachtende Grundlage für ein verbessertes Verständnis von Vermischung und kleinskaligen Prozessen im Ozean. Die MSS ist ein mit Sensoren bestückter, 1 - 1,25 m langer Zylinder, der im Freifall mit einer Sinkgeschwindigkeit von ca. 0,7 m/s die Wassersäule profiliert. Sie Sonde ist dabei über ein Kabel mit einer Winde verbunden und sendet die gemessenen Daten in Echtzeit an einen Computer, was dem Betreiber alle relevanten Informationen (Messtiefe, Sinkgeschwindigkeit, Temperatur etc.) über den Messvorgang anzeigt. Die Messungen können je nach Einsatzort und Fragestellung entweder meereisbasiert durch ein Eisloch oder aber auch direkt von Bord eines Forschungsschiffes durchgeführt werden.
Zentrale Bestandteile der Sensorik zur Turbulenzmessung sind zwei sehr sensible Scherungssensoren, ein schneller Temperatursensor sowie ein Beschleunigungssensor, kombiniert mit Sensoren zur Messung von Leitfähigkeit, Temperatur und Druck (CTD). Die Scherung wird zusammen mit einem Mikrothermistor zur schnellen Temperaturmessung mit einer Messfrequenz von 1024 Hz (1024 Messpunkte pro Sekunde) aufgezeichnet, was bei einer Sinkgeschwindigkeit von unter 1 m/s zu einer vertikalen Auflösung im Millimeterbereich führt. Die weiteren Sensoren zur CTD-Messung zeichnen mit 24 Hz auf. Die Scherungssensoren sind sensible Stifte mit speziellen Strömungsprofilen an der Spitze (sogenannte Airfoils), die verbunden über eine spezielle Beschichtung (Piezokeramik) bereits minimale, durch kleine Wirbel im Wasser verursachte Auslenkungen aufzeichnen. Diese Parameter bilden die Grundlage für die Berechnung zur Dissipation von Energie und dem vertikalen Austausch von Wasserpartikeln. Durch die gleichzeitigen Temperatur- und Salzgehaltsmessungen können somit vertikale Wärmeflüsse bestimmt werden, die für das Verständnis des Einflusses warmer Ozeanschichten auf die Meeresoberfläche und die Meereisbedeckung wichtig sind. Zusätzlich kann die MSS optional mit Chlorophyll-, Sauerstoff-, oder Trübungssensoren bestückt werden, was wertvolle Daten für interdisziplinäre Fragestellungen zum Einfluss von physikalischen Prozessen auf biologische und biogeochemische Bedingungen liefert.
Insbesondere die kleinskaligen Prozesse werden in Ozean- und Klimamodellen oftmals nur unzureichend parametrisiert, was die Sicherheit in zukünftigen Klimaprojektionen verringert. Trotz der Dringlichkeit, mit fokussierten kleinskaligen Messungen die Modelle zu verbessern, sind Beobachtungen wie z. B. Mikrostrukturmessungen in polaren Gebieten immer noch vergleichsweise selten, nicht zuletzt auf Grund der Komplexität der Sensoren und des relativ hohen Aufwands. Die MOSAiC-Expedition legte jüngst den Grundstein für einen bisher nie dagewesenen Reichtum an Beobachtungen, zu dem auch ein hochaufgelöster MSS-Datensatz beiträgt.
Ozeanographische Verankerungen gehören zu den autonomen Langzeitbeobachtungssystemen, die an wichtigen Punkten der globalen Ozeanzirkulation installiert werden und dort fortlaufend Daten erfassen. Diese Instrumente der Meeresforschung ermöglichen auch in den Polarregionen eine kontinuierliche Datenerfassung und liefern wertvolle Erkenntnisse über die Veränderungen der Weltozeane. Hier wird die Funktionsweise und Ausbringung von Verankerungen beschrieben. Im Datenportal wird eine Übersicht über historische und aktuelle Verankerungsdaten gegeben.
Verankerungen sind stationäre Messsysteme, die über Jahre hinweg kontinuierlich wichtige ozeanografische Daten an einem festen Standort erfassen. Eine Verankerung besteht aus einem Grundgewicht, einem langen Seil und mehreren Auftriebskörpern, die das Seil senkrecht in der Wassersäule stabilisieren. Entlang des Seils sind verschiedene Messinstrumente befestigt, die eigenständig wichtige Parameter wie die Wassertemperatur, den Salzgehalt sowie die Strömungsgeschwindigkeit und -richtung erfassen. Zusätzlich können spezialisierte Geräte installiert werden, um beispielsweise die Eintauchtiefe (den Draft) des über die Verankerung driftenden Meereises zu messen, Schwebstoffe im Wasser zu sammeln, Wasserproben zu entnehmen oder sogar die Laute von Meeressäugern aufzuzeichnen.
Verankerungen können mehrere Kilometer lang sein und werden während Schiffsexpeditionen mithilfe von Kränen, Schiebebalken und Seilwinden ins Wasser gelassen. Das Grundgewicht wird auf dem Meeresboden platziert, während die am Seil befestigten Auftriebskörper das Seil nahezu senkrecht in der Wassersäule stabilisieren. Die Länge des Seils ist genau abgestimmt, sodass die obersten Auftriebskörper in sicherem Abstand zur Wasseroberfläche bleiben. Dadurch wird eine Beschädigung oder sogar das Abreißen durch driftendes Meereis oder Eisberge verhindert. Die Messgeräte werden vorab programmiert und während des Ablassens am Seil befestigt. Sie arbeiten autonom und erfassen beispielsweise stündlich Daten wie Wassertemperatur, Salzgehalt oder Strömungseigenschaften. Dank langlebiger Batterien können die Geräte über mehrere Jahre hinweg kontinuierlich messen.
Die geographische Position einer Verankerung wird beim Auslegen exakt über GPS dokumentiert, sodass der Standort innerhalb von ein bis fünf Jahren erneut von einem Forschungsschiff aufgesucht werden kann, um die Messgeräte mit ihren wertvollen Daten zu bergen. Doch wie wird die Verankerung aus dem Wasser geholt?
Am unteren Ende des Seils, direkt über dem Grundgewicht, befindet sich ein spezielles Gerät, der sogenannte (Posidonia-) Auslöser, oder „Releaser“. Dieses Instrument reagiert auf akustische Signale, die von Bord des Schiffes gesendet werden, und öffnet einen Haken, der das Seil mit dem Grundgewicht verbindet. Nach dem Auslösen steigt das Seil mitsamt den Auftriebskörpern und Messgeräten an die Wasseroberfläche.
Die Signalübertragung von Bord des Schiffs erfolgt mithilfe einer sogenannten Posidonia-Anlage, die sogar in der Lage ist, den Aufstieg der Verankerung im Wasser zu verfolgen. Die akustische Kommunikation funktioniert selbst in mehreren Kilometern Tiefe. Innerhalb weniger Minuten tauchen die Auftriebskörper nacheinander an der Oberfläche auf und ermöglichen das Einsammeln der Verankerung. Das tonnenschwere Grundgewicht, meist aus mehreren Eisenbahnrädern gefertigt, verbleibt auf dem Meeresboden und wird allmählich von Organismen besiedelt. Nach der Bergung werden die Messgeräte vom Seil gelöst und ihre gespeicherten Daten per Computer ausgelesen.
Schiffsexpeditionen, insbesondere in die Polargebiete, sind sehr teuer und logistisch aufwändig. Gleichzeitig sind sie jedoch unerlässlich, um das Klimasystem, und dessen dramatische Veränderungen besser zu verstehen. In der Meeresforschung gibt es beim Sammeln von Beobachtungsdaten besondere Herausforderungen:
Die meisten wissenschaftlichen Schiffsexpeditionen finden im Sommer statt, also von Mai bis Oktober auf der Nordhalbkugel und von November bis April auf der Südhalbkugel. Zu dieser Zeit ist die Meereisbedeckung gering und das Eis vergleichsweise dünn. Selbst leistungsfähige Eisbrecher können sich nur dann effizient in den Polarozeanen bewegen. Im Winter hingegen ist dies deutlich schwieriger oder gar unmöglich, weshalb in den Wintermonaten so gut wie keine Daten aus diesen Regionen vorliegen. Eine weitere Herausforderung ist die begrenzte Verfügbarkeit von Forschungsschiffen. Die Anzahl geeigneter Schiffe ist sehr klein, was die räumliche Abdeckung der Ozeanmessungen stark einschränkt. Obwohl es manchmal möglich ist, mehrere Schiffe gleichzeitig an unterschiedlichen Orten einzusetzen, bleibt dies eher die Ausnahme.Hinzu kommt die Vielfalt der Prozesse, die untersucht werden müssen. Neben physikalischen Parametern wie Temperatur, Salzgehalt und Strömung, gibt es noch viele weitere Aspekte und Prozesse, die für ein umfassendes Verständnis wichtig sind. Dazu gehören beispielsweise die chemische Zusammensetzung der polaren Ozeane, die Verschmutzung durch Mikroplastik, sowie die Veränderung in den Ökosystemen. Nur durch die gleichzeitige Beobachtung vieler dieser Aspekte, können Wissenschaftler:innen ein umfassendes Prozessverständnis entwickeln. Dafür sind jedoch zahlreiche Expert:innen und spezialisierte Messgeräte notwendig.
All diese Herausforderungen können nur durch den Einsatz autonomer Sensoren auf geeigneten Plattformen wie Verankerungen oder Messbojen bewältigt werden. Ein Beispiel dafür ist der Betrieb mehrerer Verankerungen mit physikalischen und biogeochemischen Sensoren über ein bestimmtes Gebiet hinweg, etwa in der Framstraße (zwischen Grönland und Spitzbergen) oder im Weddellmeer (Antarktis), über mehrere Jahre oder sogar Jahrzehnte. Diese Methode wird am Alfred-Wegener-Institut seit Langem erfolgreich angewendet und bildet das Rückgrat der Langzeitbeobachtungen. Die durch Verankerungen gewonnenen Langzeitdaten sind von unschätzbarem Wert für die Klimaforschung und können im Datenportal des Meereisportals eingesehen und für weitere Forschungszwecke genutzt werden.
Dieses Vorgehen klingt in der Theorie alles recht einfach, doch in der Praxis können zahlreiche Probleme auftreten.
Eine Verankerung muss bereits in der Planungsphase äußerst präzise konzipiert werden. Besonders wichtig ist das Verhältnis zwischen den luftgefüllten, druckfesten Auftriebskörpern und dem Gewicht der daran befestigten Geräte. Auch die Positionierung der Auftriebskörper entlang des Seils sowie die Auswahl der Sensoren und deren Tiefe müssen sorgfältig berechnet werden. Fehler in diesen Bereichen können dazu führen, dass Auftriebskörper platzen, Wasser in Sensoren eindringt, Seile reißen oder Metallteile wie Schäkel und Ringe korrodieren. Solche Probleme treten glücklicherweise selten auf.
Ein weiteres häufiges Problem ist das sogenannte „Biofouling“. Insbesondere flachere Sensoren werden im Laufe der Zeit von Organismen bewachsen, was die Qualität der Messdaten erheblich beeinträchtigen kann.
Zudem besteht das Risiko, dass eine Verankerung nicht wiedergefunden wird oder nach dem Auslösen nicht an die Oberfläche kommt. Dies kann verschiedene Ursachen haben: eine ungenaue Positionsangabe, ein defekter Auslöser, ein zuvor gerissenes Seil oder schlechte Sichtverhältnisse durch Nebel. Im offenen Wasser ist die Bergung dennoch meist möglich, es sei denn, extreme Wetterbedingungen wie starker Wind erschweren die Aufnahme.
In eisbedeckten Regionen gestaltet sich die Bergung jedoch noch schwieriger. Hier muss die Verankerung akustisch geortet und das umliegende Meereis aufgebrochen werden. Mit etwas Glück finden die Auftriebskörper ihren Weg zwischen den Eisschollen an die Oberfläche. Dann muss sich das Schiff geschickt der Verankerung nähern, ohne sie zwischen den Schollen zu beschädigen. Die letzten Meter werden dann mit Hilfe des bemannten „Mummy-Chairs“ (ein Metallkorb für Personentransport, der am Kran außenbords gebracht wird) überwunden, von dem aus eine Seilverbindung zum Schiff hergestellt wird.
