ACOBAR - ACoustic Technology for OBserving the interior of the ARctic Ocean
Das Hauptziel des EU-Projekts ACOBAR (ACOBAR steht für ACoustic Technology for OBserving the interior of the ARctic Ocean) ist, ein integriertes System zur Umweltbeobachtung im Nordpolarmeer zu entwickeln und zu testen. Den Kern des Systems stellt eine umfangreiche Datenassimilation dar, zu der Daten von verschiedenen Messsystemen operationell bereit gestellt werden sollen. Dabei kommen akustische Messmethoden einschließlich Tomographie, akustische Datenübertragung zwischen Unterwasserplattformen und die akustische Kommunikation und Navigation von Unterwassergleitern (glider) zum Einsatz.
Der erhebliche Mangel an Beobachtungdaten aus dem Nordpolarmeer führt zu schwerwiegenden Ungenauigkeiten bei der Erfassung von Temperatur- und Salzgehaltsänderungen, und damit zu Problemen, wenn man die Wechselwirkung zwischen Ozean und Eis im Zusammenhang mit Klimaveränderungen verstehen und modellieren will. ACOBAR setzt die Arbeiten von VEINS, ASOF‐N, DAMOCLES und des Internationalen Polarjahrs 2007-2009 fort. Während dieser Projekte wurden neue Instrumente und Plattformen für die Ozeanbeobachtung entwickelt und eingesetzt. Damit hat sich die Zahl der erfassten Daten signifikant erhöht. Dennoch gibt zur Zeit Probleme, diese Beobachtungen nach dem Ende des Internationalen Polarjahrs im gleichen Umfang fortzusetzen. In diesem Zusammenhang leistet ACOBAR von 2009 bis 2013 einen Beitrag zum arktischen Beobachtungsnetz. Daten werden mittels akustischer Tomographie, durch Floats, Gleiter und ozeanographische Verankerungen erhoben. Diese Komponenten sollen in einem zukünftigen Pan-Arktischen Beobachtungssystem verwendet werden.
Abb. 1: Das integrierte Beobachtungssystem des ACOBAR-Projektes in der Framstraße mit ozeanographischen Verankerungen (gelbe Punkte), Tomographie-Verankerungen (grüne und blaue Sterne) und den autonomen Gleitern. Das Strömungssystem mit dem warmen und salzreichen Westspitzbergenstrom und dem kalten und salzarmen Ostgrönlandstrom ist schematisch dargestellt. Die Schattierung gibt die Wassertiefen an.
Abb. 2: Ein Schnitt quer durch die Framstraße mit ozeanographischen und tomographischen Verankerungen, die im Rahmen von ACOBAR ausgelegt wurden. Die Färbung steht für die Wassertemperaturen in der Framstraße im Sommer (rot für warm und blau für kalt).
Beobachtungen
Im Rahmen von ACOBAR wurden in der Framstraße zwei sich ergänzende Ozeanbeobachtungsysteme eingerichtet. Ein akustisches Tomographienetzwerk liefert die räumlich gemittelte Temperatur mit einer hohen zeitlichen Auflösung. Ozeanographische Verankerungen mit konventionellen Messgeräten, die auf einem Schnitt durch die Framstraße angeordnet sind, erfassen ozeanische Parameter an bestimmten Punkten. Sie werden von Messungen durch autonome Unterwassergleiter ergänzt. Das Tomographienetzwerk wird durch das Nansen Environmental and Remote Sensing Center (NERSC) betreut. Es besteht aus drei tomographischen Schallquellen, die Signale mit kontinuierlich wechselnden Frequenzen aussenden. Sie sind als Dreieck in der östlichen, nördlichen und westlichen Framstraße positioniert. Ferner gibt es einen passiven Empfänger im zentralen, tiefsten Teil der Straße. Das Tomographienetzwerk misst die akustischen Laufzeiten entlang sechs verschiedenen Wegen, da jede Schallquellen-Verankerung auch mit einem Empfänger ausgerüstet ist. Außerdem senden die Tomographie-Schallquellen auch ein RAFOS-Signal zur Unterwasser-Navigation der Gleiter und Floats.
Seit 1997 unterhält das Alfred-Wegener-Institut ozeanographische Verankerungen in der Framstraße zur Messung ozeanischer Flüsse zwischen dem Nordatlantik und dem Nordpolarmeer. Die Messanordnung besteht aus 16 Verankerungen zwischen der Schelfkante westlich von Spitzbergen und dem ostgrönlandischen Schelf. Die vier westlichsten Verankerungen werden vom Norwegischen Polarinstitut (NP) betreut. Alle Verankerungen liefern Druck-, Temperatur- und Salzgehaltmessungen in fünf Tiefen, sowie Geschwindigkeit und Richtung der Meeresströmungen (teilweise auch hochauflösende vertikale Profile der Strömung). Seit 2009 laufen diese Beobachtungen in Rahmen des EU-Projekts ACOBAR und des Helmholtz-Projekts HAFOS. Die HAFOS-Instrumentation wird durch ACOBAR mit Geräten zur akustischen Kommunikation und Navigation ergänzt. Um die räumliche Auflösung zu erhöhen, werden für CTD-Messungen Unterwassergleiter verwendet, die Schnitte parallel zur Verankerungslinie liefern.
Entwicklung einer operationellen Datenübertragung
Um Daten in Echtzeit (Near Real Time, NRT) zu erfassen und zu übertragen werden zwei Problemkreise bearbeitet: die akustische Verbindung zwischen den Meßgeräten in den einzelnen Verankerungen und die Übertragung zu einer Oberflächeneinheit, die mit Satelliten kommuniziert. Für die erste Zielsetzung wurden 2009 drei akustische Niederfrequenz-Modems einem einjährigen Feldversuch in der östlichen Framstraße unterzogen. Die aufgenommenen Daten wurden im Relaismodus übertragen, d.h. die Datenübertragung erfolgte schrittweise von der am weitesten entfernten Verankerung über weitere Verankerungen in Richtung der zentralen Kommunikationseinheit. Weil akustische Datenübertragung über typische Verankerungsabstände von etwa 30 km nicht zuverlässig zu erreichen war, wurde eine zusätzliche Relais‐Verankerung eingesetzt. Die Resultate dieses ersten Feldversuchs deckten Probleme aufgrund der starken Umgebungsgeräusche und dem damit verbundenen niedrigen Signal-zu-Rauschen-Verhältnisses auf. Wie erfolgreich der Datentransfer mittels der Modems war wird z. Z. ausgewertet. Im Sommer 2012 werden verbesserte Modems eingesetzt werden.
Abb. 3: Die Verankerungen in der Framstraße (links) und die Elemente des akustischen Systems für die Unterwasser-Datenübertragung (rechts).
Für zeitnahe Datenübertragung an Land wurde eine Kommunikationsverankerung entwickelt, die aus einem akustischen Modem, einer Zentraleinheit und einer Unterwasserwinde mit profilierendem CTD-Messgerät und Iridiummodul zur Satellitenübertragung besteht. In den Sommern 2010 und 2011 wurde die Unterwasserwinde zu Probeläufen eingesetzt, ohne jedoch mit den anderen Verankerungen zu kommunizieren. Diese Probeläufe der Winde zeigten, dass die starken Strömungen in der östlichen Framstraße dazu führen, dass der Profiler vertrieben wird und die Oberfläche nicht erreicht. Meereis an der Oberfläche stellt ein weiteres Risiko für das Gerät dar. Wir arbeiten zur Zeit an einem verbesserten Gerät, dass 2012 eingesetzt werden soll.
Autonome Unterwassergleiter (Gliders)
Seit 2008 kommen Unterwassergleiter zur Ergänzung der Verankerungsmessungen zum Einsatz, um räumlich hochauflösende CTD-Schnitte zu liefern. Die im Framstraßen-Beobachtungssystem eingesetzten Seaglider messen Temperatur, Leitfähigkeit (zur Berechnung des Salzgehalts), Druck, Fluoreszenz, optische Rückstreuung und die Konzentration des gelösten Sauerstoffs. Die Gleiter können die oberen 1000 m der Wassersäule mit einer horizontalen Auflösung von 5-10 km erfassen. Jedes Mal, wenn sie an die Oberfläche kommen, übertragen sie ihre Daten an Land. Im ACOBAR-Projekt wurden bisher sechs Gleiter-Missionen mit einer Gesamtdauer von 416 Tagen durchgeführt, die meisten im Sommer und Herbst in der östlichen und zentralen Framstraße. Insgesamt sind ungefähr 2000 vertikale Profile gemessen worden.
Die räumlich hochauflösenden Gleiter-Messungen ergänzen die ozeanographischen Beobachtungen der Verankerungen, die zwar eine sehr gute zeitliche Auflösung haben, aber wegen der relativ kleinräumigen Struktur der Strömungen, die ozeanische Zirkulation und den Transport der Wassermassen in der Framstraße nicht ausreichend auflösen können. Bisher wurden die Gleiter meistens im offenen Wasser eingesetzt, um die GPS-Positionierung und die Datenübertragung zu ermöglichen. Das zukünftige Ziel ist aber, die Gleiter-Messungen in den westlichen, vom Meereseis bedeckten Teil der Framstraße zu erweitern. Dazu wird ein akustisches Unterwasser-Navigation-System benötigt, das den Gleiter unter dem Eis leitet und ermöglicht, seine Position ohne Auftauchen zur Oberfläche zu bestimmen.
Für die akustische Positionierung und Navigation der Unterwassergleiter werden fünf 260 Hz RAFOS-Schallquellen verwendet, die seit 2010 in der westlichen und nördlichen Framstraße verankert sind. Außerdem werden zusätzliche RAFOS-Signale von Tomographie-Schallquellen zwischen tomographischen Übertragungen geliefert. In Zusammenarbeit mit Craig Lee vom Applied Physics Laboratory der Universität Washington (APL-UW) wurden die Unterwassergleiter in der Framstraße mit den RAFOS-Empfängern und passender Software für akustische Navigation ausgerüstet. Die akustische Navigationstechnologie wurde vom APL-UW für Gleiter-Missionen in der Davisstraße entwickelt und dort erfolgreich eingesetzt. Ein ähnliches, aber den unterschiedlichen Umgebungsbedingungen angepasstes System (mit 260 Hz Schallquellen statt 780 Hz) wurde in der Framstraße ausgelegt. Wenn RAFOS-Signale von mindestens zwei Schallquellen zur Verfügung stehen, kann der Gleiter seine Position berechnen. Bekommt der Gleiter die Signale von mehreren Quellen, dann verbessert sich die Genauigkeit der berechneten Position. Die mit der eisfähigen RAFOS-Technologie ausgestatteten Seaglider wurden 2009 bis 2011 jeweils im Sommer in der Framstraße eingesetzt, um die akustische Navigation im offenen Wasser zu testen.
Die maximale Reichweite der RAFOS-Signale in der Framstraße schwankt zwischen 50 und 300 km in Abhängigkeit von der Bauart der Schallquelle, der Eisbedeckung und der unterschiedlichen RAFOS-Empfänger im Seaglider. Während des Einsatzes im Sommer 2011 hatten 72% der aus akustischen Signalen berechneten Positionen eine Abweichung von weniger als 10 km von der über Satellit bestimmten Position, während fast die Hälfte der Positionen bis auf 5 km genau waren. Der erste Wintereinsatz des Seagliders in der Framstraße ist zur Zeit in der Vorbereitung.
Abb. 4: Gleiter-Einsatz in der Framstraße in 2008-2011. (photos: A. Beszczynska-Möller)