Benthisches Lander-System

Benthic-Flux Lander & Hadal-Profiler Lander

Geräteaufbau: Die benthischen Lander sind unbemannte Fahrzeuge, die ohne Kabel auf den Meeresboden absinken, um dort In-situ-Messungen durchzuführen. Der offene Rahmen aus rostfreiem Stahl besteht aus drei Haupteinheiten: Auftrieb, Nutzlast und Ballast.

Auftriebs-Einheit: Glaskugeln oder Blöcke aus syntaktischem Schaumstoff sorgen für den nötigen Auftrieb, damit der Lander nach dem Abwerfen des Ballasts selbstständig an die Oberfläche aufsteigen kann. Die Auftriebseinheit umfasst akustische Auslöser, die das Abwerfen des Ballasts am Ende der Mission ermöglichen, sowie zwei Ortungssysteme – LED-Blitz und UKW-Sender – die das Auffinden des Landers erleichtern, sobald er die Wasseroberfläche erreicht.

Nutzlast-Einheit: Die autonomen benthischen Lander-Systeme werden zur Untersuchung der benthischen Sauerstoffaufnahme und der Flüsse anderer gelöster Stoffe an der Sediment-Wasser-Grenzfläche eingesetzt. Die benthische Kammer umschließt eine Fläche von 400 cm² mit einer ca. 0,15 m dicken Schicht darüber liegenden Wassers. Während der Inkubation des eingeschlossenen Sedimentbereichs wird das darüber liegende Wasser durch sanftes Rühren durchmischt, und die Veränderungen der Sauerstoffkonzentration wird durch am Kammerdeckel angebrachte optische Sensoren überwacht. In vorprogrammierten Zeitabständen werden insgesamt sieben Proben pro Kammer aus dem eingeschlossenen Wasser entnommen. Die Gesamtflüsse von Sauerstoff und Nährstoffen über die Sediment-Wasser-Grenzfläche werden aus der Konzentrationsänderung pro Zeit berechnet (die aus Sensoraufzeichnungen oder diskreten Messungen der Wasserproben ermittelt werden). Die Feinverteilung des gelösten Sauerstoffs an der Sediment-Wasser-Grenzfläche und im Porenwasser wird mit Hilfe von Sauerstoff-Mikroelektroden bestimmt, die schrittweise in das Sediment eingebracht werden. Die einzelnen Sensoren werden speziell aus Glas gefertigt und haben typische Spitzendurchmesser im Bereich von einigen zehn Mikrometern. Bis zu neun Sauerstoffelektroden sind an einem Titangehäuse angebracht, das die Elektronik zur Signalverstärkung und -verarbeitung enthält. Zusätzlich zu dem vertikalen Antrieb, der für die Erstellung der Sedimentprofile verantwortlich ist, ermöglicht ein zweiter, horizontal ausgerichteter Antrieb die seitliche Verlagerung des Elektronikgehäuses und der Sensoren zwischen den Messungen. Auf diese Weise können während eines einzigen Einsatzes mehrere Profile gemessen werden. Ein selbstgebautes Unterwasserkamerasystem nimmt Zeitrafferaufnahmen des Meeresbodens auf, um die biogeochemischen Daten mit den Strukturen und der Mikrotopographie des Meeresbodens in Beziehung zu setzen.

Ballast-Einheit: Die an den Füßen des Landers angebrachten Ballastpakete aus Stahl sorgen für negativen Abtrieb, sodass der Lander selbstständig auf den Meeresboden absinkt. Am Ende des Einsatzes kann der Ballast durch ein akustisches Signal vom Schiff aus abgeworfen werden. Dadurch wird das Auftauchen des Landers ausgelöst.

Abmessungen: Benthic-Flux Lander: 2,2 x 2,2 x 2,3 m

                        Hadal-Profiler Lander: 1,5 x 1,5 x 3,0 m

Gewicht: ~ 1.2 t an Luft, 100 kg im Wasser (mit Ballast) and -90 kg in Wasser (ohne Ballast)

Einsatz: Der Einsatz der autonomen Lander dauert in der Regel 1-2 Tage, in denen das System Messungen am Meeresboden durchführt. Für den Einsatz wird der Lander mit dem Schiffskran nach außen gehoben und an der Wasseroberfläche mithilfe von Schnellverschlusshaken freigegeben. Anschließend sinkt er von selbst auf den Meeresboden. Der Lander wird mit Ballast beschwert, sodass er einen negativen Abtrieb hat, und sinkt mit einer Geschwindigkeit von 0,5 – 1 m/s auf den Meeresboden, wo er sanft landet. Dort wird er für die Dauer des Forschungszeitraums belassen. Am Ende des Einsatzes werden die Ballastgewichte durch ein akustisches Signal von einer Deckseinheit an Bord abgeworfen. Der Lander steigt nun mit einer Geschwindigkeit von 0,7 – 1 m/s zur Oberfläche auf, wo er vom Forschungsschiff geborgen wird.

Maximale Tiefe: 6.000 m (Benthic-Flux Lander) / 11.000 m (Hadal-Profiler Lander)

Nachbereitung:

Proben / Ergebnisse: Nach der Bergung werden die elektronisch gespeicherten Daten heruntergeladen. Aus den gewonnen Sauerstoffprofilen können verschiedene Datenberechnet werden: i) die O2-Eindringtiefe, ii) die diffusive O2-Aufnahme und iii) die räumliche Verteilung der volumenspezifischen O2-Verbrauchsrate im Sediment. Diese Daten ergeben einen detaillierten Einblick in die Verteilung und den mikrobiellen Verbrauch von Sauerstoff im Sediment – Schlüsselparameter für das Verständnis der biogeochemischen Funktionen des Meeresbodens. Die Daten des Benthic-Flux Landers ermöglichen die Berechnung der gesamten benthischen O2-Verbrauchsrate, da es die Atmung von Fauna mit einbezieht. Der Unterschied zwischen den O2-Verbrauchsmesssungen der beiden Lander liefert ein Maß für den durch Fauna bedingten O2-Verbrauch. Die während der Inkubationen gewonnenen diskreten Wasserproben ermöglichen die Berechnung des benthischen Austauschs von Nährstoffen und DIC (gelöster anorganischer Kohlenstoff) und geben somit Auskunft über die Bedeutung des Meeresbodens für die Regeneration von Stickstoff und Kohlenstoff. Schließlich wird das in den benthischen Kammern gewonnene Sediment für grundlegende Messungen der Sedimenteigenschaften, des Gehalts an organischem Kohlenstoff und der für die benthischen Umsatzprozesse verantwortlichen Lebensgemeinschaften verwendet.