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
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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. 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. Weitere Details über das technische
Prinzip der Sonarmessung und ihrer Anwendung sind in der schriftlichen
Ausgabe dieser Arbeit zu finden. 3. Bathymetrie in der ArktisDer 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. 4. Geschichtliche Entwicklung der EcholotungDie 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. 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. 5. MessinstrumentariumHydroakustische 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. 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. 6. Messgebiet1. Alpha Mendeleev Rücken 2. Lomonosov Rücken 7. ResümeeWährend 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 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.
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. 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. 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. "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. 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. 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. For further questions or specialized
remarks please do not hesitate to contact: 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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