Marine Biogeochemie

Monitoring Techniken

Geologische Lagerstätten im Meeresboden werden zunehmend erkundet und ausgesucht um den stetig wachsenden Bedarf an Energie und Mineralien sowie Abfallentsorgungskapazitäten gerecht zu werden. Die Forschungseinheit Marine Geosysteme entwickelt neueste Monitoring Techniken und neuartige Ansätze zur Nutzung von Ressourcen, um dieEffekte dieser industriellen Aktivitäten auf die marine Umwelt zu umgehen oder zu reduzieren.

Video Wasserprobennehmer

Ein neu entwickeltes Wasserprobennehmersystem wird zur Untersuchung der Konzentration von gelösten Gasen in bestimmten Wassertiefen eingesetzt. Das System wird vom Schiff geschleppt und die Seillänge über die Druckanzeige der eingebauten CTD (SBE9plus oder KMS86) gesteuert. Ein digitales Video-Telemetriesystem (Sea & Sun, Trappenkamp – SST) ermöglicht eine Echtzeit-Überwachung des Meeresbodens, um die Entfernung zum Boden im „Bodensicht-Modus“ zu kontrollieren. Die Telemetrie bietet eine bidirektionale Übertragung von seriellen Daten (z.B. CTD- oder Kompass-Daten) und Video-Daten mit einer Auflösung von 720 x 576 Pixel bei 25 Farbbildern pro Sekunde über ein Standard Koaxialkabel mit einer Länge von bis zu 8000 m. The Hauptvideokamera ist ein HD Camcorder, der über die Telemetrie kontrolliert werden kann (Zoom, Start/Stop der internen Aufnahme mit einer Auflösung von 2,3 Mpixel). Durch die Nutzung des integrierten Ethernets können mehrere IP Kameras kontrolliert und ihre Video-Daten parallel übertragen werden. Als Lichtquelle dienen 3 LED-Lampen (Bowtech), die gedimmt und an die Licht- und Trübungsverhältnisse angepasst werden können. Die Telemetrie liefert eine Stromversorgung von bis zu 1,2 kW für externe Verbraucher.

Modulare Sensor Pakete

Die CTD Unterwassereinheit kann mit externen Sensoren bestückt werden (pH, CO2, CH4, PAK) und die Wasserschöpfer können während der vertikalen und horizontalen Einsätze in bestimmten Tiefen und Lokationen ausgelöst werden. Alternativ können diese Sensoren auch auf anderen Plattformen wie ROV oder AUV installiert werden.

 

Der Sensor (SBE27-0198) kombiniert eine Druck-kompensierte Glaselektrode, eine Ag/AgCl Referenzelektrode und eine Platin Redox-Elektrode (1200 m Einsatztiefe).

Das HydroC Sensor Paket erfasst in situ pCO2, polyaromatische Kohlenwasserstoffe und Methan (Contros, Systems and Solutions, Germany) und wird am Video-CTD-Rahmen befestigt. Die Sensoren (CH4, CO2) speichern die hochaufgelösten Binärdaten intern und übertragen die analogen Signale (0-5 V) der Sensoren (PAK, CH4, CO2) über die SBE9plus, wo sie an Bord zusammen mit den CTD-Daten aufgezeichnet werden. Ein Überblick über die Spezifikationen der CONTROS HydroC Sensoren wird in Tabelle 1 gegeben.

Table 1: HydroC Sensorspezifikationen (Angaben CONTROS).

 

HydroC TM / CH4

HydroC TM / PAH

HydroC TM / CO2

Messbereich

200 nM – 50µM

0-500 ppm

200-1000 ppm

Auflösung

15-19 nM

0.1 ppm

1 ppm

Ansprechzeit (t63)

2 min

0.5 s

1 min

Aufwärmzeit

~ 30 min

< 10 s

~30 min

Einsatztiefe

4000 m

500 m

4000 m

 

Ex situ Gasmessung mit MIMS

Zur kontinuierlichen und simultanen Messung von gelösten Gasen (z.B. pCO2, CH4, N2, Ar, O2) im Bodenwasser wird bei geringer Wassertiefe über eine Multiphasen-Pumpe, die am Windenkabel befestigt wird, ein Membraneinlass-Massenspektrometer (MIMS, GAM 200, InProcessInstruments) an Bord durch einen 1 Zoll Plastikschlauch mit der Rosette verbunden. Der Schlaucheinlass ist auf der Höhe der oben beschriebenen Sensoren am CTD-Rahmen befestigt. Der Abstand zum Boden beim Schleppen des Gerätes wird visuell über ein on-line Videosystem kontrolliert. Die Schleppgeschwindigkeit des CTD-Systems beträgt 0,3 – 0,8 Knoten.

Unterwasser Massenspektrometer (UMS)

Die Bestimmung der gelösten Gase in Fluiden ist bislang immer durch technische Herausforderungen limitiert worden. Bisher kann nur eine begrenzte Anzahl von Proben an die Oberfläche zur  traditionellen Analyse gebracht werden. Sogar diese Proben können durch Entgasung beeinflusst werden, wenn sie bei Druckerniedrigung aus großer Tiefe an die Oberfläche gebracht werden. Daher ist die direkte in-situ Messung aller gelösten Gase von größtem Interesse. Zur Zeit entwickeln wir ein Unterwasser Massenspektrometer, welches in jede kabelgebundene (OFOS, ROV) oder autonome Plattform (Lander, AUV) integriert werden kann.

In situ Ammonium Recorder

Für die biologische Oberflächenwasser Primärproduktion spielt die Nährstofffreisetzung aus den Sedimenten als limitierende Elemente eine wichtige Rolle in der Biogeochemie der Ozeane. Durch positive Rückkopplungsmechanismen beeinflusst die Nährstofffreisetzung die Kreisläufe vieler anderer Elemente wie insbesondere Kohlenstoff und trägt damit zum Erhalt oder gar der Ausbreitung globaler Sauerstoffminimumzonen bei.

Um Zeitserien der Ammonium-Freisetzung aus dem Meeresboden durchführen zu können, wird zur Zeit ein in situ Ammonium Recorder nach dem Konzept von Hall and Aller(1992) und Plant et al. (2009) am GEOMAR entwickelt.

Wasserprobennehmer-Rosette  (12 x 10 L Niskin) mit SBE9plus CTD, pH Sensor (SBE27) und das HydroC/CH4/CO2/PAK Sensor Paket mit Energieversorgung. Das orangene Kabel am Windendraht ist mit dem digitalen Video-Telemetriesystem verbunden.
Wasserprobennehmer-Rosette (12 x 10 L Niskin) mit SBE9plus CTD, pH Sensor (SBE27) und das HydroC/CH4/CO2/PAK Sensor Paket mit Energieversorgung. Das orangene Kabel am Windendraht ist mit dem digitalen Video-Telemetriesystem verbunden.
Einsatz der Video-CTD mit verschiedenen Sensoren in der Wasserprobennehmer-Rosette  (KMS86).
Einsatz der Video-CTD mit verschiedenen Sensoren in der Wasserprobennehmer-Rosette (KMS86).
Deckeinheit mit on-line CTD-Daten, Auslösung der Wasserschöpfer und Video-Übertragung der beiden Kameras.
Deckeinheit mit on-line CTD-Daten, Auslösung der Wasserschöpfer und Video-Übertragung der beiden Kameras.
Blick auf die Schublade an der Steuerbordseite des ROV Kiel 6000 mit den CONTROS Sensoren, Gassammler, KIPS Probennehmer und HDTV-Kamera.
Blick auf die Schublade an der Steuerbordseite des ROV Kiel 6000 mit den CONTROS Sensoren, Gassammler, KIPS Probennehmer und HDTV-Kamera.
Aufbau der Pump CTD mit Schlauchverbindung zum MIMS im Labor.
Aufbau der Pump CTD mit Schlauchverbindung zum MIMS im Labor.
Aufbau der Pump CTD mit Schlauchverbindung zum MIMS im Labor.
Aufbau der Pump CTD mit Schlauchverbindung zum MIMS im Labor.

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