Marine Biogeochemie

Lander Systeme

Lander werden als Plattform für verschiedene in situ Messungen am Meeresboden genutzt; ihre spezifische Nutzlast oder das wissenschaftliche Modul wird durch die wissenschaftliche Fragestellung oder das Experiment bestimmt. Ursprünglich werden sie im konventionellen Freifall-Modus verankert, wobei der Lander vom Schiff direkt an der Wasseroberfläche ausgeklinkt wird. Jedoch verlangen viele wissenschaftliche Fragestellungen, die spezifisch für morphologische Gegebenheiten sind, wie z.B. cold seeps, Schlammvulkane oder bestimmte benthische Lebensgemeinschaften, ein gezieltes und sanftes Absetzen des Landers. Für diese Anwendungen wurde eine spezielle Absetzvorrichtung entwickelt, die mit dem Koaxial- oder Glasfaserhybrid-Kabel des Schiffes verbunden ist. Dieser Absetzrahmen trägt die Telemetrie, Kameras, Lampen und einen elektrischen Auslöser, der den Lander vom Absetzrahmen auf Knopfdruck unmittelbar trennt.

Sind die Messungen beendet, werden die Gewichte nach einem akustischen Kommando ausgeklinkt und der Lander steigt durch seinen Auftrieb zur Meeresoberfläche auf. Zur Zeit verwenden wir folgende Lander-Konfigurationen:

Biogeochemische Observatorium (BIGO)

BIGO wird zur Messung von in situ Flüssen und biogeochemischen Umsätzen am Meeresboden verwendet und trägt zwei runde Flusskammern (interner Durchmesser 28,8 cm, Fläche 651,4 cm2). Einige Stunden nachdem BIGO auf dem Meeresboden platziert wurde, werden die Kammern langsam in das Sediment eingefahren. Während dieser anfänglichen Periode, in welcher der Boden der Kammern noch nicht durch das Sediment bedeckt ist, wird das Wasser innerhalb der Kammern weiterhin mit umgebendem Bodenwasser ausgetauscht. Nachdem die Kammern in das Sediment eingefahren wurden, wird der Wasserkörper innerhalb der Kammern ein weiteres Mal mit Bodenwasser ausgetauscht, um Stoffe heraus zu spülen, die während des Kammereinfahrens eventuell aus dem Sediment freigesetzt wurden.

Um Flüsse von z.B. Methan,  O2, NO3-, NO2-, NH4+ und anderen gelösten Stoffen zu verfolgen, werden 8 Wasserproben sequentiell mittels eines Probennehmers bestückt mit Glasspritzen aus dem überstehenden Wasser in der Kammer entnommen. Die Spritzen sind mit der Kammer über Vygon Schläuche verbunden. Zur Beprobung des umgebenden Bodenwassers wird ein zusätzlicher Spritzenprobennehmer (bestückt mit 8 Glasspritzen) eingesetzt.

Alternativ werden zur Beprobung von Gasen wie z.B. pCO2, N2 und Ar mittels einer Peristaltikpumpe aus jeder Kammer 4 Wasserproben in Glassröhren anstelle der Glasspritzen geleitet. Zur Beprobung des umgebenden Bodenwassers wird ein weiteres Set von 4 Glasröhren eingesetzt.

O2 wird innerhalb der Kammern und im umgebenden Bodenwasser mit Optoden (Aanderaa) gemessen, die vor jedem Landereinsatz kalibriert werden. Während des BIGO-Einsatzes werden die Sedimente für weitere biogeochemische Porenwasser und Festkörper-Analysen, biologische und mikrobiologische Studien geborgen.

Profiler Lander (PRFL)

Die Profiliereinheit besteht aus einem unteren und oberen Glasfaserrahmen, die durch 4 Glasfaserrohre verbunden sind. Der obere Rahmen reicht ungefähr 50 cm nach vorn und definiert die Fläche, in der Sensoren in mm-Schritten entlang der x und der y-Achse bewegt werden können. Die Sensoren können entlang der z-Achse in frei wählbaren Schritten bewegt werden. Der hintere Teil trägt die Druckgehäuse für die Datenspeicherung, die Steuereinheit zur Bewegung der Sensoren und die Batterien. Für die Verankerung am Boden ist die Profiliereinheit in einen Landerrahmen eingebaut, sie kann aber auch als einzelnes Modul im ROV-Einsatz benutzt werden. Es werden kommerziell verfügbare Sauerstoff-, Sulfid- und pH-Sensoren eingesetzt, um in situ Mikroprofile durch die Sediment-Wasser Grenzschicht aufzunehmen. Um gleichzeitig Zeitreihen des O2-Gehaltes und der Temperatur im Bodenwasser zu erfassen, werden zwei Optoden, eine auf der gleichen Höhe wie die Mikrosensoren, die andere in ~1 m über dem Meeresboden, installiert.

Zusätzlich zur Profiliereinheit kann der Lander während seines Einsatzes noch ein nach oben gerichtetes APCP (300 kHz, Teledyne RDI), ein Kamerasystem(Ocean Imaging System) zur Aufnahme von Zeitreihen der Sedimentoberfläche sowie eine Speicher CTD (RBR) aufnehmen. Weiterhin kann ein nach unten gerichteter Aquadopp Profiler (2 MHz, Nortek) zur Erfassung der bodennahen Strömung installiert werden. Während einiger Einsätze trug der Lander ein Eddy Correlation Modul, welches am Boden ausgefahren werden kann.

GasQuant Lander (GQL)

Um das Volumen freigesetzter Gasblasen abschätzen zu können, wurde in enger Kooperation mit ELAC-Nautik in Kiel ein hydroakustisches System entwickelt. Dieses System basiert auf einem ‚normalen‘ aber druck-resistenten Multibeam Schwinger, der horizontal eingesetzt Gasblasen durch die Rückstreuung des akustischen Signals detektieren kann. Es wird am Meeresboden mit einem Lander eingesetzt und kann genau vor einem bekannten Gasblasenaustritt positioniert werden, um die exakte Anzahl und Position der Austritte innerhalb von 2075 m2 sowie auch die Periodizität des Gasaustritts vom Meeresboden für mehr als eine Woche aufzuzeichnen.

GasQuant ist ein autonomes System und besteht aus einem druck-resistenten (100 bar) 180 kHz Multibeam Schwinger (75° Öffnungswinkel mit 21 Schallkegeln; jeder mit einer 3° horizontalen und 1,5° vertikalen Auflösung), einer elektronischen Steuereinheit (SEE 30, Ausgabe und Empfangseinheit), einer Datenerfassung und 4 Tiefsee-Batterien als Stromversorgung. Der Schwinger ist in einem Rahmen am oberen Auftriebskranz des Landers montiert. Die SEE 30 und die Datenerfassung sind beide in einem Titangehäuse untergebracht, welches auf dem Nutzlastrahmen des Landers befestigt ist.  Die 4 Batterien mit jeweils 230 Ah und 12 V sind neben dem Titangehäuse befestigt. Die SEE 30 wurde modifiziert, um im Energiesparmodus mit Batterien zu laufen. Die Datenerfassung erfolgt über einen gewöhnlichen Mikrocomputer (Windows NT), der das System kontrolliert und die Daten mittels der Hydrostar Online Software von ELAC-Nautik aufzeichnet. Eine spezielle Software wurde geschrieben, um den Computer und das gesamte System wieder hochzufahren, wenn eines der beiden Systeme unbeachtet ausfällt.

Gezieltes und sanftes Absetzen eines Landers am Meeresboden.
Gezieltes und sanftes Absetzen eines Landers am Meeresboden.
BIGO Lander bestückt mit Glasröhren fertig zum Einsatz.
BIGO Lander bestückt mit Glasröhren fertig zum Einsatz.
Der Transecting Profiler dient zu speziellen Micromaßstabsmessungen von Sauerstoff, Schwefelwasserstoff und dem pH-Wert im Sediment. Der Profiler ist an einem  Benthic Lander Rahmen montiert. Aufgenommen wurden diese Bilder vom ROV Kiel 6000 während einer Ausfahrt vor Chile.
Der Transecting Profiler dient zu speziellen Micromaßstabsmessungen von Sauerstoff, Schwefelwasserstoff und dem pH-Wert im Sediment. Der Profiler ist an einem Benthic Lander Rahmen montiert. Aufgenommen wurden diese Bilder vom ROV Kiel 6000 während einer Ausfahrt vor Chile.
Der Transecting Profiler dient zu speziellen Micromaßstabsmessungen von Sauerstoff, Schwefelwasserstoff und dem pH-Wert im Sediment. Der Profiler ist an einem  Benthic Lander Rahmen montiert. Aufgenommen wurden diese Bilder vom ROV Kiel 6000 während einer Ausfahrt vor Chile.
Der Transecting Profiler dient zu speziellen Micromaßstabsmessungen von Sauerstoff, Schwefelwasserstoff und dem pH-Wert im Sediment. Der Profiler ist an einem Benthic Lander Rahmen montiert. Aufgenommen wurden diese Bilder vom ROV Kiel 6000 während einer Ausfahrt vor Chile.
Der Transecting Profiler dient zu speziellen Micromaßstabsmessungen von Sauerstoff, Schwefelwasserstoff und dem pH-Wert im Sediment. Der Profiler ist an einem  Benthic Lander Rahmen montiert. Aufgenommen wurden diese Bilder vom ROV Kiel 6000 während einer Ausfahrt vor Chile.
Der Transecting Profiler dient zu speziellen Micromaßstabsmessungen von Sauerstoff, Schwefelwasserstoff und dem pH-Wert im Sediment. Der Profiler ist an einem Benthic Lander Rahmen montiert. Aufgenommen wurden diese Bilder vom ROV Kiel 6000 während einer Ausfahrt vor Chile.
Blick auf den GasQuant Lander mit aufgesetztem Absetzrahmen fertig zum Aussetzen. Der Nutzlastrahmen des Landers trägt vier Tiefsee-Batterien und die SEE Elektronik im Titangehäuse. Ein Kompass, der durch eine der beiden Kameras beobachtet wird, wurde zur Kontrolle der Schlepprichtung während des Einsatzes benutzt.
Blick auf den GasQuant Lander mit aufgesetztem Absetzrahmen fertig zum Aussetzen. Der Nutzlastrahmen des Landers trägt vier Tiefsee-Batterien und die SEE Elektronik im Titangehäuse. Ein Kompass, der durch eine der beiden Kameras beobachtet wird, wurde zur Kontrolle der Schlepprichtung während des Einsatzes benutzt.
Der Druck-resistente 180 kHz Schwinger montiert in einem kardanischen Rahmen.
Der Druck-resistente 180 kHz Schwinger montiert in einem kardanischen Rahmen.
Das Titangehäuse mit SEE 30 Steuer- und Datenerfassungseinheit.
Das Titangehäuse mit SEE 30 Steuer- und Datenerfassungseinheit.

Kontakt

Dr. rer. nat. Peter Linke

FE Marine Geosysteme
Forschungsbereich 2: Marine Biogeochemie
Büro:

Raum: 8E-106
Telefon: +49 431 600-2115
Fax: +49 431 600-2928
E-Mail: plinke(at)geomar.de
Adresse:
 Wischhofstrasse 1-3; D-24148 Kiel

Dr. rer. nat. Stefan Sommer

FE Marine Geosysteme
Forschungsbereich 2: Marine Biogeochemie
Büro:

Raum: 8/E-112
Telefon: +49 431 600-2119
Fax: +49 431 600-2928
E-Mail: ssommer(at)geomar.de
Adresse:
Wischhofstrasse 1-3; D-24148 Kiel

Priv.-Doz. Dr. Mark Schmidt

Forschungsbereich 2: Marine Biogeochemie
FE Marine Geosysteme
Büro:

Raum: 8-C/113
Telefon: +49 431 600-2283
Fax: +49 431 600-2916
E-Mail: mschmidt(at)geomar.de
Adresse:
Wischhofstraße 1-3; D-24148 Kiel

Assistent/Geschäftszimmer

Christine Utecht

FE Marine Geosysteme
Forschungsbereich 2: Marine Biogeochemie
Büro:
Raum: 8-D 103
Telefon: +49 431 600-2116
Fax: +49 431 600-132116
E-Mail: cutecht(at)geomar.de
Adresse: Wischhofstrasse 1-3; D-24148 Kiel