Akustische Meeresbodenerkennung – Licht in den Nebel unter der Tiefsee

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Guo Zheng (Forschungsstation Ostchinesisches Meer, Institut für Akustik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Im Internet wird die Erde oft als „Blauer Planet“ bezeichnet, da die Erdoberfläche „zu sieben Teilen aus Wasser und zu drei Teilen aus Land“ besteht. Das bedeutet, dass das Land etwa 30 % der Erdoberfläche und der Ozean etwa 70 % der Erdoberfläche ausmacht. Wenn man sich im Universum umschaut, sieht die Erde wie ein blauer Planet aus.

Der Ozean färbt die Erde nicht nur blau, sondern enthält auch zahlreiche wertvolle Ressourcen wie Öl, Erdgas, brennbares Eis, polymetallische Krusten usw. Wenn es uns also gelingt, die Geheimnisse des Ozeans zu lüften, wird dies die Erschließung und Nutzung der Ressourcen erleichtern. Darüber hinaus ist das Verständnis der geologischen Struktur und Topographie des Meeresbodens auch für die Untersuchung der Bewegung der Erdplatten, der Veränderungen der Erdschichten usw. wichtig.

Wie erforschen wir den geheimnisvollen und riesigen Ozean? Die akustische Ortung ist ein wirksames Mittel zur Meeresbodenortung und von großem Forschungswert.

Abbildung 1: Testabbau von brennbarem Eis im Südchinesischen Meer und polymetallischen Krusten am Meeresboden

(Bildquelle: 1. Sohu https://m.sohu.com/a/249639518_100194551/?pvid=000115_3w_a

2. Shandong-Ozean https://mp.weixin.qq.com/s/oNCFBM-STiQCpaCmxzFm4Q）

Die Herausforderungen der akustischen Meeresbodenerkennung

Wir alle kennen das Sprichwort: „Der Himmel ist hoch, die Vögel fliegen frei; das Meer ist weit, die Fische springen frei.“ Aber ich frage mich, ob Sie schon einmal darüber nachgedacht haben, warum wir nicht „das Meer ist tief“ statt „der Himmel ist hoch“ sagen, sondern „das Meer ist weit“?

Denn mit zunehmender Tiefe des Meeres steigt auch der Druck der Wasserumgebung. Abgesehen von einigen Organismen, die sich an den hohen Druck der Tiefsee angepasst haben, werden andere Organismen in einer Umgebung mit solch hohem Druck zwangsläufig nicht überleben können. Darüber hinaus ist die Tiefsee aufgrund des Lichtmangels und der niedrigen Temperaturen zwangsläufig kein Paradies für besonders üppiges Leben. (Tatsächlich können Vögel selbst bei hohem Himmel nicht frei fliegen. Aufgrund ähnlicher Prinzipien ist die Luft in großen Höhen dünn, sodass es für Vögel schwierig ist, in großen Höhen zu überleben.)

Die „Tiefe des Meeres“ ist natürlich eine der Schwierigkeiten, mit denen wir bei der akustischen Meeresbodenerkennung konfrontiert sind. Für gewöhnliche Lebewesen ist es schwierig, einen so hohen Druck auf dem Meeresboden zu überleben, aber glücklicherweise verfügen wir über eine Vielzahl von Erkennungsinstrumenten.

Abbildung 2 Der Tiefseeboden und seine verschiedenen Formen von Tiefseelebewesen: Meeresbodengemeinschaften, Seeteufel, „Dumbo“, Sonnenquallen

(Bildquelle: Sohu https://www.sohu.com/picture/240705294)

Instrumente zur akustischen Meeresbodenerkennung und einfache Prinzipien

Wie das Sprichwort sagt: „Wenn Sie Ihre Arbeit gut machen wollen, müssen Sie zuerst Ihre Werkzeuge schärfen.“ Die Durchführung akustischer Meeresbodendetektionsforschung erfordert sicherlich eine Reihe technischer und gerätetechnischer Vorbereitungen. Wir benötigen bestimmte Geräte, die uns unter Wasser als „Augen und Ohren“ dienen, wie etwa Mehrstrahlsonare, Profiler für flache Unterwasserbereiche, Seitensichtsonare, Unterwasserroboter (Remote Operated Vehicle, ROV) usw. Die meisten dieser Geräte nutzen akustische Methoden zur Unterwasserortung.

Abbildung 3 Multibeam-Sonar, Subsurface-Profiler, Side-Scan-Sonar, Unterwasserroboter (ROV)

(Bildquelle: 1. Qingdao Water Tools http://www.watertools.cn/index.php/product/info/311?one_id=248&two_id=323&parent_id=289

2. Qingdao Wasserwerkzeuge http://www.watertools.cn/index.php/product/info/303?one_id=248&two_id=294&parent_id=289

3. Sohu https://www.sohu.com/a/349110652_743632

4. Sohu (http://it.sohu.com/a/442729792_100275934)

Wie funktionieren diese Geräte?

Die Funktionsweise dieser Unterwasser-Sonargeräte hat etwas mit der Echoortung von Tieren gemeinsam, d. h., sie senden ebenfalls Schallwellen zum Meeresboden aus, empfangen Echos und analysieren und verarbeiten diese dann, um die gewünschten Ergebnisse zu erhalten.

Warum können diese Sonargeräte unterschiedliche Gelände- und Meeresbodenzusammensetzungen bestimmen, indem sie Schallwellen auf den Meeresboden aussenden und die Echos analysieren und verarbeiten?

Ähnlich dem Reflexionsphänomen von Licht, das wir im täglichen Leben beobachten, erzeugen auch Schallwellen eine Reflexion, wenn sie sich zur Oberfläche eines Mediums ausbreiten. Nachdem die Sonarausrüstung Schallwellen auf den Meeresboden überträgt, ist das Echo auf dem harten und konvexen Meeresboden stärker; Auf dem weichen und konkaven Meeresboden ist das Echo schwächer. und der verdeckte Meeresboden erzeugt kein Echo. Gleichzeitig gilt: Je geringer die Entfernung, desto stärker das Echo. Je größer die Entfernung, desto schwächer das Echo. Nach umfassender Analyse und Verarbeitung dieser Informationen können wir Informationen wie die Topographie des Meeresbodens und die Zusammensetzung des Bodens erhalten.

Abbildung 4 Meeresbodenplan

(Fotoquelle: Blue Ocean http://lcsonar.com/cesaocase/98.html)

Einige Anwendungsrichtungen der akustischen Meeresbodenerkennung

Als universelle Technologie wird die akustische Meeresbodenerkennung in vielen Bereichen eingesetzt.

Vor dem Bau großer Anlagen wie Seebrücken und Offshore-Ölplattformen werden üblicherweise die Topographie und Bodenbeschaffenheit des Meeresbodens untersucht. In diesem Fall sind Geräte wie Seitensichtsonar, Mehrstrahlsonar und flache stratigraphische Profiler praktisch. Wenn wir feststellen müssen, ob der Meeresboden Mineralvorkommen enthält oder welche Mineralreserven es gibt, kommen auch akustische Methoden und Geräte zur Meeresbodenerkennung zum Einsatz. Wenn die bemannten Tauchboote Jiaolong und Fendouzhe tief tauchen, führen sie auch akustische Geräte zur Meeresbodenortung mit sich, um Meeresbodenortungsarbeiten durchzuführen.

Kurz gesagt: In den Bereichen Ingenieurwesen, Produktion und wissenschaftliche Forschung ist die Technologie zur akustischen Meeresbodenerkennung weit verbreitet und wird in Zukunft noch umfangreichere Anwendungsmöglichkeiten finden.

Herausgeber: Guo Yaxin