Nikolaos Tsoukalas: Vorbereitung und Durchführung bathymetrischer Vermessungen mit dem Forschungsschiff "Polarstern"
                     im Rahmen eines geophysikalischen Untersuchungsprogramms im zentralen Arktischen Becken.

 Preparation and realisation of bathymetric observations within the scope of a geophysical research   
 programme on the research vessel „Polarstern“ in the Central Arctic Basin.

Dauer der Arbeit: 4 Monate (inklusive acht Wochen Messfahrt). Duration of this thesis: 4 months (with 8 weeks observation at sea).
Abschluss: Februar 1999. Termination: February 1999.
Betreuer/Tutor: Prof. Dr. -Ing. habil. D. Fritsch (ifp), Dr. -Ing. H.W. Schenke (AWI) , Dipl. -Ing. S. Dijkstra (UNH)
Ó2000 By Dipl.-Ing. Nikolaos Tsoukalas


 

 

 

Polarstern in der Atka-Bucht (Antarktis)
Der Eisbrecher "RV Polarstern" in der Atka-Bucht (Antarktis)

 

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Deutsche Version

  1. Vorwort
  2. Einleitung
  3. Geschichtliche Entwicklung der Echolotung
  4. Bathymetrie in der Arktis
  5. Messinstrumentarium
  6. Messgebiet
  7. Resümee
  8. Der Autor

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1. Vorwort

Über die Morphologie des Alpha Mendeleev Rückens im Amerasischen Becken ist wenig bekannt, da bis zu diesem Zeitpunkt keine bathymetrischen Unterlagen mit ausreichender Genauigkeit existieren. Die Arktis Expedition ARK XIV /1a+b (der Fahrtabschnitt 1b in die sibirische Laptew-See, wird in dieser Arbeit nicht beschrieben, dem hierzu interessierten Leser sei auf den Polarbericht des Fahrtabschnittes 1b am GEOMAR in Kiel hingewiesen) vom 27.06. - 27.08.1998 mit dem deutschen eisbrechenden Forschungsschiff "Polarstern" und zusätzlicher russischer Eisbrecherunterstützung, bot die einmalige Möglichkeit bathymetrische Daten in diesem, ganzjährig mit Eis bedeckten, Gebiet zu sammeln und vorhandenes Datenmaterial zu ergänzen. Die Erfassung der bathymetrischen Daten, das sind Tiefeninformationen, erfolgte mit dem neuen Hydrosweep DS-2 Multibeam Sonar System, das permanent auf dem Schiff installiert ist. Ohne genaue Kenntnis der Meeresbodentopographie ist eine exakte, wissenschaftliche Interpretation geowissenschaftlicher Daten nicht möglich. 

Diese Arbeit dokumentiert die Vorbereitung, Durchführung und Auswertung bathymetrischer Messungen mit der "Polarstern" während der Expedition ARK XIV 1a im zentralen Arktischen Becken
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2. Einleitung

Das Wort Bathymetrie ist aus den griechischen Wörtern báthos = Tiefe und metró = Messen zusammengesetzt. Die Bathymetrie ist die Kunst und Wissenschaft zur Vermessung des Meeresbodens. Sie befasst sich ferner mit der Beschreibung und Darstellung der Meeresbodentopographie und ist auch als eine Erweiterung der herkömmlichen Seevermessung zu betrachten.  In der Literatur und im Sprachgebrauch wird der Begriff Bathymetrie, nicht ganz richtig, oftmals nur für die Morphologie des Meeresbodens gebraucht. 

Wichtige Voraussetzung für eine präzise bathymetrische Vermessung ist eine hohe Genauigkeit bei der Positions- und Lagebestimmung des Schiffes. Für die Koordinatenbestimmung der einzelnen zu vermessenden Flächenelementen am Meeresboden werden die Position (Länge und Breite) und die Lage (rechtweisender Kurs, der durch geographisch Nord und die Kielrichtung des Schiffes definiert ist, sowie Berücksichtigung der Schiffsdynamik, wie Rollen und Stampfen) des Schiffes benötigt. 

Durch die Vermessung mit dem Fächersonar können Meeresbodenstrukturen und -formen kontinuierlich, flächenhaft erfasst werden. Ein Multibeam Sonar System verfügt über einen Fächer von Strahlen, die als ein quer zur Schiffsrichtung verlaufender breiter Strahl ausgesandt und in schmalen Einzelstrahlen wieder empfangen und analysiert werden. Die flächenhafte Geländeaufnahme erlaubt eine zuverlässige Interpolation von Isolinien, sog. Isobathen. 

Das technische Prinzip der Fächersonarmessung funktioniert folgendermaßen. Im Schiffskörper sind hydroakustische Sender und Empfänger, sog. Wandler (engl.: transducer, Vorrichtungen, die elektrische Energie in akustische Energie umwandeln und umgekehrt) eingebaut. Diese strahlen kurze, eng gebündelte Schallsignale vertikal und schräg gerichtet zum Meeresboden aus. Der Dichteunterschied zwischen Meeresboden und Bodenwasser ist ausreichend, um einen Teil der ausgesandten Energie zum Schiff zurückzusenden. Schiffseitig werden die Signale von den Wandlern empfangen und in Laufzeiten umgerechnet. 

Die Herstellung genauer Karten des Meeresbodens, gerade in Gebieten mit starker Bodenstruktur, beispielsweise an Kontinentalhängen und unterseeischen Rücken ist eine wesentliche Aufgabe der Bathymetrie am AWI. Die marinen Geowissenschaften benötigen zur Modellierung und Interpretation ihrer Messdaten die Bathymetrie ihres Arbeitsgebietes. So werden in der Ozeanographie zur Anlage von Messprofilen und -stationen, zur Erkundung kontinentaler Auftriebs- und Abflussphänomene in Verbindung mit den Bodenformen, detaillierte bathymetrische Karten benötigt. 
Neben der wissenschaftlichen Betrachtung hat die Bathymetrie auch für die Industrie eine wichtige Bedeutung, beispielsweise bei der Verlegung von Seekabel oder der Exploration mariner Rohstoffvorkommen. Ebenfalls wichtig ist die Vermessung und Kartierung von Küsten- und Binnengewässer. So ist etwa das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) als hydrographischer Dienst Deutschlands verantwortlich für die Seevermessung in Nord- und Ostsee und die Herstellung und Herausgabe amtlicher Seekarten u.v.m..

Weitere Details über das technische Prinzip der Sonarmessung und ihrer Anwendung sind in der schriftlichen Ausgabe dieser Arbeit zu finden. 
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3. Bathymetrie in der Arktis

Der eisbedeckte arktische Ozean gehört zu den nahezu unbekannten Gebieten der Erde. Gerade in diesen Gebieten steht der Mangel an exakten bathymetrischen Karten einem hohen Wissensbedürfnis gegenüber. Während der marin-geophysikalischen Arktisexpedition ARK XIV/1a vom 16. Juni bis zum 26. Juli 1998 mit dem Forschungsschiff "Polarstern", bestand die Aufgabe der Arbeitsgruppe Bathymetrie des AWI das nur lückenhaft vorhandene Kartenmaterial im Bereich des Alpha Rückens im Amerasischen Becken zur ergänzen. 
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4. Geschichtliche Entwicklung der Echolotung

Die wahrscheinlich erste Messung der Wasserschallgeschwindigkeit fand 1897 unter dem schweizer Physiker Daniel Colladon und dem französischen Mathematiker Charles Sturm am Genfer See in der Schweiz statt. Im 19. Jahrhundert trugen viele Physiker durch ihre Forschungen am Phänomen der Umwandlung von elektrischer Energie in Schallenergie (und umgekehrt), wesentlich zu der Entwicklung der heute im Einsatz befindlicher Wandler bei. Der Ausbruch des ersten Weltkrieges war der Anstoß zur Entwicklung zahlreicher militärischer Anwendungen des Sonars. 1918 wurden zum ersten Mal Echos von einem U-Boot empfangen. 
In der Zeit zwischen den Weltkriegen ging die Entwicklung in diesem Gebiet langsam aber stetig voran. Bis zum Ausbruch des zweiten Weltkrieges war, besonders in den USA, die Anwendung der Sonartechnik weit fortgeschritten. Das Wort Sonar (Sound navigation and ranging) wurde während des zweiten Weltkriegs als Gegenstück zum Radar geprägt. Auf beiden Seiten des Atlantik gab es zu dieser Zeit starke Forschungsaktivitäten im Bereich des Unterwasser Sonars. 
Auch nach 1945 schritt die Entwicklung der Unterwasser Akustik stark voran. Vor allem im Bereich der Geräteleistung und der Signalverarbeitung. 

Die Entwicklung von Fächersonarsystemen begann 1961 mit dem Bau eines Fächerlotes für hydrographische und bathymetrische Vermessung in den USA. In Europa begannen die Entwicklungen zum Bau von Fächersonaranlagen ab 1984. In Deutschland entwickelte Krupp Atlas Elektronik, Bremen, zwischen 1984 und 1986 das Tiefsee-Fächerlot Hydrosweep (Hydrographic Multibeam Sweeping Survey Echosounder).

Mehr Details zur geschichtlichen Entwicklung der Echolotung findet man in der gebunden Ausgabe dieser Arbeit. 
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5. Messinstrumentarium

Hydroakustische Fernerkundung ist die Hauptmethode zur Kartierung und Untersuchung des Meeresbodens in allen Tiefen. Herkömmliche Fernerkundungsverfahren (Mikrowellen oder optische) versagen wegen der hohen Absorption elektromagnetischer Wellen im Wasser bei der Verwendung in Tiefen > 50m. Im Küstenzonenbereich (Watt- und Meeresgebiete) werden bis zu Tiefen von etwa 50m auch Laser-unterstützte Systeme wie LIDAR (LIght Detection And Ranging) eingesetzt.
Technische Weiterentwicklungen im Bereich der Physik und der Elektrotechnik ermöglichen die Konstruktion und den Bau verschiedener akustischer Wandler deren Frequenz von einigen Hertz bis zu einigen Megahertz reichen. Akustische Wellen lassen sich relativ einfach erzeugen, werden nicht stark in der Wassersäule absorbiert und ihre Reflexion am Meeresboden gibt detaillierten Aufschluss über die lokale Morphologie.

Eine ausführlichere Beschreibung über die Grundlagen der Schalltechnik, den Sonargleichungen, dem Einfluss der Meeresbodenbeschaffenheit, sowie der Navigation findet man unter Kapitel 3 dieser Arbeit. 

Das Prinzip der Echolotung besteht darin, ein Signal von einem Wandler auszusenden und die Laufzeit des Signals vom Wandler zum Meeresboden und wieder zurück zu messen und durch Multiplizieren mit der Schallgeschwindigkeit und teilen des Ergebnisses durch 2, die Entfernung vom Echogeber zu berechnen.
Dabei hängt die Genauigkeit der Entfernungsmessung von der Genauigkeit mit der die betreffende Geschwindigkeit  des Schalls im Wasserkörper bekannt ist und der Genauigkeit der Zeitmessung. Die Bahn eines in den Wasserkörper ausgesendeten Schallsignals ist von vielen Parametern (Salinität, Temperatur, Druck, etc.) abhängig und kann deshalb nur modellhaft dargestellt werden. 
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6. Messgebiet

1. Alpha Mendeleev Rücken
Das arktische Becken lässt sich in ein amerasisches und ein eurasisches Becken unterteilen. Der Alpha Mendeleev Rücken stellt die größte tektonische Einheit im arktischen Becken dar. Nach der bisher vorliegenden Bathymetrie ist die räumliche Ausdehnung dieses submarinen Gebirgszuges größer als die der Alpen. Ihm wird eine Schlüsselrolle im Verständnis der Entstehung des amerasischen Beckens zugeschrieben. 

2. Lomonosov Rücken
Er ist eine ausgedehnte Struktur, die sich über den gesamten arktischen Ozean zieht. Der Lomonosov Rücken  wurde 1948 im Rahmen von sowjetischen Expeditionen entdeckt. 
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7. Resümee

Während der Expedition ARK XIV /1a wurden mit Hydrosweep DS-2 zahlreiche, zum Teil bisher einmalige, bathymetrische Daten gemessen. Besonders aus der Region des östlichen Lomonosov Rückens (81°50'N; 140°11'E und 81°50'N; 140°28'E, bzw. 81°49'N; 138°54'E) in dem im GEBCO
Blatt 5.17 bisher nur sehr ungenaue Informationen über die Meeresbodenstrukturen vorlagen, existieren nun zum Teil flächenhafte Messungen in hoher Auflösung. 

Die auf dieser Expedition gewonnenen Messungen mit Hydrosweep DS-2 stellen einen großen Fortschritt bezüglich des bis dato in dem Arbeitsgebiet vorhandenen Datenmaterials dar. Die vorab festgelegte Forschungsdauer von maximal fünf Tagen erwies sich unter den extremen Eisbedingungen als zu knapp bemessen. Trotz den teils sehr widrigen Eisverhältnissen und den dadurch bedingten Systemabstürzen und obwohl aufgrund der Eisverhältnisse das geplante Arbeitsgebiet nicht in dem Maße vermessen und beprobt werden konnte, wie ursprünglich konzipiert, ist die abschließende Beurteilung der Expedition sehr positiv. Das neue Sidescan und Hydrosweep DS-2 System stellt eine Verbesserung bezüglich Datengewinnung, Datenverwaltung und Steuerung dar, auch wenn es noch Raum für weitere Verbesserungen in der Software gibt.

Weitere ausführlichere Beschreibungen zu dieser Expedition bezüglich Vorbereitung, Durchführung, den Messdaten und ihre Interpretation etc. findet man in der gebundenen Version dieser Arbeit. 
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English version

  1. Introduction
  2. Survey instrumentation
  3. System operation
  4. Navigation
  5. Survey results
  6. Summary
  7. Mail to the author

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Introduction

The morphology of the Alpha Mendeleev Ridge in the Amerasian Basin, is little known, since no bathymetric charts of sufficient detail of the mentioned region exist. Expedition ARK XIV / 1a provided an opportunity to obtain new bathymetric data and to densify the existing depth information. These bathymetric data may be used for morphologic interpretation. They are also valuable for planning and conducting detailed geological and geophysical studies in this region. The Hydrosweep multibeam sonar system was used for the collection of these data.
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Survey instrumentation

The Hydrosweep DS-2 system is permanently installed on board RV "Polarstern". The transducers (device that converts electrical energy to acoustic energy and vice-versa) are flush mounted in the ships hull. Is uses a transmitting frequency of 15.5 kHz, this frequency was chosen as a compromise between depth range and resolution. The operating principle is to transmit a signal from the transducers and measure the two way travel time of this signal to 59 locations in a narrow swath perpendicular to the ship's axis on the seafloor. Simultaneously a time series of the envelope of the returned signal is stored, which is used to construct synthetic side scan sonar imagery data.

Hydrosweep uses a self-calibration process to determine the local mean sound velocity. This is necessary for the conversion of travel times to a model of the path traversed by the signals through the water column.

Upon start-up the DS-2 searches for the seafloor, when this is found the system switches over to the so-called survey mode. Raw data was stored on DAT tapes at ten minute intervals by the Hydrosweep DS-2 system itself.
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System operation

Hydrosweep was used with a 90° coverage angle, generating a swath width of approximately twice the water depth at nadir. CTD (Conductivity, Temperature, Depth) measurements at the geological stations during the cruise provided supplementary information on sound speed in the water column. Due to heavy ice conditions it was not possible to derive the local mean sound speed using the systems self calibration mechanism. Instead we used sound speed data obtained by CTD measurements during geological and oceanographic stations. 
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Navigation

"Polarstern" uses the Global Positioning System (GPS) in on line differential mode (DGPS) to obtain position coordinates. DGPS corrections are determined by installing a station at known coordinates and determining the adjustments to be made to the range observations to arrive at the correct position solution. 
We received the differential corrections via the SkyFix system that uses the InMarSat (International Maritime Satellite) satellites. North of 81°N no differential corrections were available, because the elevation angle of the satellite above the horizon was insufficient. 
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Survey results

In the Lomonosov Ridge area we have seen differences of over 500m between observed depths and depth values indicated by GEBCO (GEneral Bathymetric Charts of the Oceans) sheet 5.17. Additionally at 81°50'N; 140°28'E a slope of nearly 25% was observed. The relative depth elevation over the sector of this feature is approximately 1100m - 2100m with an extension of nearly 1.1 nM in West-East direction. A second slope was also observed at 81°49'N; 138°54'E. We surveyed the specific areas in detail and geological stations with gravity cores where then taken on each slope.
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Summary

During expedition ARK XIV / 1a we collected many exciting data. Especially in the region of the eastern Lomonosov Ridge we were able to obtain high resolution data, which forms a large improvement on the existing data. Although we encountered some hard- and software problems in heavy pack ice, that need to be addressed, the overall result during this cruise was positive. Although there is space for software improvement the new Hydrosweep and Sidescan system offers an improvement with respect to data handling and control of Hydrosweep. 
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The author

For further questions or specialized remarks please do not hesitate to contact:
Nikolaos Tsoukalas
 

Der Autor

Haben Sie noch Fragen? Wollen Sie weitere Anregungen zu diesem Thema machen? Dann zögern Sie nicht sich an den Autor: Nikolaos Tsoukalas zu wenden.

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