PS101 - Wochenbericht Nr. 5 | 09. Oktober bis 16. Oktober 2016

Entdeckungen in der eisbedeckten arktischen Tiefsee : von Robotern, Mineralien und Mikroben

[19. Oktober 2016] 

Die fünfte Woche der Expedition PS101 bringt Fortschritte in der Erkundung heißer Quellen an Seebergen des Gakkelrückens unter dem Eis. Tauchroboter NUI beprobt den Meeresboden

 

 

Im Oktober ist es in der Arktis dunkel, eiskalt und windig. Die wenigen freien Wasserflächen gefrieren, es formen sich Frostblumen und Schneewehen vom Eisabrieb. Die Drift ist manchmal ein Knoten schnell. Wir stecken unsere Köpfe noch tiefer in die Tiefsee, die nun wesentlich wärmer ist als die Luft um uns herum und auch bunter und lebensfreundlicher erscheint. Zum Einsatz kommt der neue Untereis-Tiefseeroboter NUI, der den Gipfel des Karasik Seeberges am Gakkelrücken kartiert und spezielle Proben der Fauna vom Meeresboden besorgt (Abb. 1).

„NUI“, kurz für Nereid Under Ice (Neireide unter dem Eis) ist ein neu für eisbedeckte Ozeane konstruierter Unterwasserroboter des Forschungsinstitutes Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI), den wir in zwei verschiedenen Verfahren erproben: Als „Autonomous Underwater Vehicle - AUV“, ein vom Schiff unabhängiges Unterwasserfahrzeug, oder als „Remotely Operated Vehicle – ROV“, das mit einem haarfeinen Lichtwellenkabel mit dem Schiff verbunden ist. Ein Team von Ingenieuren war während der Reise mit der Erprobung und Weiterentwicklung dieses neuen Roboterkonzeptes unter echten Umweltbedingungen beschäftigt. Obwohl aus Wettergründen NUI nicht so viele Tauchgänge absolvieren konnte, wie wir uns vor der Reise erhofft hatten, sind die wissenschaftlichen und technischen Ziele erreicht.

Nach einem schwierigen ersten Tauchgang mit der Unglücksnummer 13 musste NUI noch aus einer Eisscholle ausgesägt werden, unter der er sich schlafen gelegt hatte. Doch dann führte der Roboter im autonomen Modus als AUV gleich zwei erfolgreiche wissenschaftliche Tauchgänge durch. Er kartierte die beeindruckenden Schwamm-Landschaften des Gipfels des Karasik-Seebergs bei 650 m (Abb. 2A). Der Karasik Seeberg ist einer der drei großen Seeberge, die den Langseth Rücken bilden (Abb. 2B).

Neben hochauflösenden bathymetrischen Karten kann der Roboter auch Fotokartierungen durchführen und chemische Anomalien in der Wassersäule erfassen, um nach Fluidaustritten am Meeresboden zu suchen. Dann wurde er in ein ROV umgebaut. NUI erhielt ein Probennehmer-Schlitten und ein Greifarm (Manipulator) sowie eine zusätzliche Steuerung. So konnte er sein kilometerlanges haardünnes Glasfaserkabel auslegen, und wir konnten direkt bei jedem Schritt des Tauchgangs zusehen. Als ROV kann NUI nämlich auf Sicht gesteuert werden und mit seinem Manipulator geologische und biologische Proben vom Meeresboden sammeln, sowie mit HD Videoaufnahmen in Makro das Verhalten auch von kleinen Tieren dokumentieren. Leider war  das Wetter tagelang zu schlecht für einen Tauchgang mit hohen Windstärken und schneller Drift. Doch im Auge eines durchziehenden Sturms war zu Ende der Woche endlich die Gelegenheit zum Tauchen da: Auf dem Gipfel des Karasik Seeberges konnten wir das Verhalten von Tieren, wie den dort dominierenden Riesenschwämmen, Seesternen, Kaltwasser Korallen und Shrimps filmen. Besonders aufregend war es, der Roboter-Pilotin Casey bei der Probennahme zuzusehen – der Roboter-Steuerraum war zeitweise mit 20 Zuschauern von Wissenschaft und Mannschaft gefüllt. Wir sahen zu, wie Schwämme in Netze jongliert wurden, kleine Stechproben aus dem Meeresboden entnommen wurden, und die Strudelbewegungen von Bakterienmatten-fressenden Garnelen gefilmt wurden. Es fühlte sich fast an, als würden wir alle zusammen in einem U-Boot unter Wasser sitzen.  Die gesammelten Proben beinhalten Riesenschwämme in verschiedenen Altersstufen, Seesterne und mikrobielle Matten, die sich auf absterbenden Schwämmen formen (Abb. 3-6). Beim Ab- und Aufstieg durch die Wassersäule konnten wir zudem hochauflösende HD-Videoaufnahmen des Planktons erhalten, das nach wie vor in dichten Schwärmen durch das dunkle Meer zieht.

Tauchgänge in die eisbedeckte Tiefsee mit einem videogesteuerten Roboter durchzuführen ist eine wichtige technische Innovation. Bisher gibt es kaum solche Robotertypen, die frei im Eis ausgesetzt werden können, weil die Unterwassernavigation unter Eis und an einem dünnen Kabel zwischen den Schollen sehr schwierig sind. Doch ein einziger erfolgreicher Tauchgang mit einem Roboter wie NUI ersetzt viele Stunden windengetriebener Forschungsgeräte, und manche Proben sind anders gar nicht zu erhalten. Der Prototyp NUI ist nun für Tiefseeforschung unter dem Eis einsetzbar, doch zeigt auch er eine Abhängigkeit von Wind, Wetter und Eisbedingungen. Es ist immer noch eine technische Herausforderung aber wichtig, dass künftige eisbrechende Forschungsschiffe einen Moonpool in den Schiffsbauch bekommen, durch die die Roboter und andere Geräte geschützt ausgesetzt und aufgenommen werden können.  

Neben den neuen Technologien wie Untereisroboter und Fotoschlitten mit Sonarsystem nutzen wir aber auch ganz klassische Geräte wie die Dredge, um das Gestein der Seeberge zu beproben. Immer wieder stellen wir uns die Frage: gibt es einen Zusammenhang in der Entstehung der aktiven Seeberge inmitten des Gakkel Rückens und den großen, quer zum Gakkel Rücken abgespreizten Seebergen wie dem Karasik Seeberg (Abb. 2B). Ein Vergleich der Gesteine soll Aufschluss bringen, nachdem sich schon die Tiergemeinschaften als sehr unterschiedlich erweisen. Die Kettensackdredge (Abb. 5) besteht aus einem soliden Metallrahmen mit einem dahinter hängenden grobmaschigen Metallkettensack. Dies wird einige hundert Meter über den Meeresboden gezogen, wobei größere Gesteinsstücke im Kettensack aufgefangen werden, Sedimente aber durch die groben Maschen hindurchfallen. Auf diese Weise konnten wir etwa 700 kg Gesteinsmaterial bergen. Weitere Mineralien brachten Kastengreifer, Multicorer und Schwerelot aus der Tiefe mit. Diese Geräte dienen eigentlich der Sedimentbeprobung, ab und zu findet aber auch das ein oder andere Gesteinsstück seinen Weg in die Behältnisse. Anhand von diesem Probenmaterial haben wir gute Einblicke in die hiesige Geologie erarbeiten können.

Während die Gesteine vom kleineren hydrothermalen Seeberg (Vent-Mount) im Gakkel-Rücken (Abb 2B), ausschließlich Kissenbasalte darstellen, konnten wir an den großen alten Seebergen des Langseth Rücken neben den Kissenbasalten (Abb 6) auch vielfältigere Gesteinsarten identifizieren. Diese umfassen unter anderem feinkörnige Basalte mit großen Olivinkristallen, Plagioklas- und Pyroxen-führende Dolerite, und ein auffällig brekziöses Gestein, welches ebenfalls aus vulkanischen Gesteinsfragmenten aufgebaut ist. Dazu brachte die Dredge außerdem ein stark grün gefärbtes Gestein an Deck, das sehr an serpentinisiertes Mantelgestein erinnert. Insbesondere die Funde des potentiellen Mantelgesteins zusammen mit der Brekzie von dem nördlichsten Seeberg deuten auf tektonische Aktivität im Graben hin, die den Vulkanismus begleiten. Die Gesteinsproben bieten gute Voraussetzungen um mit detaillierten petrologischen und geochemischen Arbeiten die magmatisch-tektonische Entwicklung der Seeberge zu entschlüsseln.

So fanden wir sowohl am Vent Mount im Spreizungsgraben als auch an der Nordflanke des alten Seebergs eindeutig hydrothermal beeinflusste Mineralien (Abb 7-9). Besonders interessant sind dabei die hydrothermalen Ausfällungen im Bereich unter der großen Rauchfahne des Vent Mounts im Gakkel-Rückens.

Um die Wärmeverteilung des Meeresbodens an den Seebergen zu vergleichen, kommt unsere vier Meter lange Temperaturlanze zum Einsatz (Abb 10). Sie soll klären, ob die Seeberge im und neben dem Gakkelrücken hydrothermal aktiv sind. Die Lanze ist der Träger für bis zu sieben miniaturisierte Temperaturlogger (MTL), die sie beim Eindringvorgang ins Sediment bringt. Sie ist robust, aber dabei messtechnisch sehr präzise, und deshalb ideal für den Einsatz in rauem und unkartiertem Gelände. Die Logger werden in bestimmten Abständen außen entlang der Lanze montiert und messen autonom die Temperatur im Meeresboden mit einer Messrate von 1 Hz. Nach jeder Messung können die Daten exportiert und der Temperaturgradient bestimmt werden.

Doch das Tal und die Berge des Gakkelrückens bestehen zumeist aus Gestein und bieten wenig Raum, um das vier Meter lange „Meeresboden-Fieberthermometer“ ins Sediment zu stecken. Daher bringen wir die Logger auch am Schwerelot und am TV-gesteuerten Multicorer an, sowie am Kameraschlitten, um die Temperaturen auch im Bodenwasser zu messen. Nach 37 erfolgreichen Temperaturmessungen im Meeresboden können wir nun Aussagen über das Temperaturfeld der Seeberge treffen. Wir fanden Werte für die Wärmestromdichte zwischen 0.5 mW/m² und >130 mW/m², dabei wurde es immer wärmer, je näher wir dem Chimneyfeld am Vent-Mount kamen. Die Wärmeleitfähigkeiten der Sedimente in diesem Gebiet sind dabei ziemlich hoch mit Werten zwischen 0.9 bis 1.3 W/(m*K). Der Grund dafür ist vermutlich der hohe Gehalt an vulkanischem Glas, Sulfiden und Aschen.

Inzwischen passen alle Messungen gut zusammen. Während die großen Seeberge des Langseth Rückens erkaltet sind und auch keine hydrothermalen Fahnen zeigen – dafür von Leben nur so wimmeln, ist der Vent-Mount im Gakkel Rücken sehr aktiv, hat aber noch wenig Fauna, außer Amphipoden Schwärmen und Seeanemonen Feldern. Wir konnten einen kleinen Bereich von 50 mal 100 Meter Ausdehnung eingrenzen, direkt unter der großen Fahne der hydrothermalen Fluide, mit vielen kleinen Schloten, Schwefelaustritten und warmen Fluiden, die an den Rändern der steilen steinigen Terrassen austreten. Die Fahne zeichnet sich durch eine dem Umgebungswasser erhöhte Temperatur sowie hohe Konzentrationen von Methan und Wasserstoff aus. Die gelösten Gase bieten besonderen Mikroorganismen eine einzigartige Energiequelle in der ansonsten nahrungsarmen Tiefsee. Wir wollen auch die mikrobiellen Gemeinschaften der Seeberge vergleichen, und nutzen Tiefsee-Pumpen, die in 90 Minuten bis zu 500 l Meerwasser durch Filter mit winzigen Poren saugen, um die Bakterien zu gewinnen. Wir können vom Schiff aus die Pumpen genau in die hydrothermale Fahne hängen, die viel Methan transportiert (Abb 11).

Es gibt viele Bakterienarten, die die Gase Wasserstoff und Methan als Energiequelle nutzen können, doch kommen sie auch hier in der arktischen Tiefsee vor? Wir füttern sie mit beiden möglichen Energiequellen, um herauszufinden, welche auf Methan oder Wasserstoff mit Wachstum reagieren. Dazu messen wir den Verbrauch dieser Substanzen in gasdichten Glasgefäßen über einen Zeitraum von 5 bis 6 Tagen. In den Wasserproben des Vent-Mounts konnten wir einen schnellen Verbrauch des Wasserstoffs durch die Mikroorganismen aus der Fahne ermitteln, wohingegen Methan nicht verbraucht wurde. Die Mikroorganismen im „normalen“ Tiefseewasser können dagegen weder Wasserstoff noch Methan zehren. Doch warum das Methan so schlecht verarbeitet wird ist uns noch unklar. Weitere Untersuchungen an den Wasserproben müssen zeigen, ob die Methanoxidierer hier vielleicht gar nicht vorkommen. Überhaupt fehlt am Vent Mount die für Hydrothermalquellen typische Besiedlung von Tieren wie Muscheln und Röhrenwürmern. An den alten kalten Seebergen am Rand des Gakkelrückens finden wir Muschelschalen und Röhren, die vielleicht auf vergangene hydrothermale Aktivität hindeuten. So ist das mit der Wissenschaft: für jedes gelöste Rätsel entstehen viele neue.

Nun sind wir kurz davor unsere Arbeiten abzuschließen, die Zeit rennt und wir zählen die Einsätze, die wir uns vor der Rückfahrt durch das zunehmende Eis noch leisten können. Es geht darum, Lücken im Messprogramm zu erkennen und zu schließen, bevor wir die Rückreise antreten. Schon jetzt freuen wir uns über die vielen aufregenden technischen Fortschritte und Ergebnisse in unserer langjährigen deutsch-amerikanischen Zusammenarbeit zur Erkundung extremer Lebensräume, mit Technologiekonzepten an der Schnittstelle zwischen Weltraum- und Tiefseeforschung. In Deutschland wird diese Zusammenarbeit durch die ROBEX Initiative (Robotic Exploration of Extreme Environments, Robotische Erforschung von extremen Umgebungen) vorangetrieben, in den USA werden die Arbeiten durch NASA’s PSTAR (Planetary Science and Technology Analog Research, Planetarische Wissenschaft und Technologie Analogien Forschung) Programm getragen. Die eisbedeckte Tiefsee der Arktis ist dabei einerseits eine der letzten völlig unbekannten Zonen der Erde, sie ist aber auch ein geeignetes Analog, um erste Schritte in Richtung der Erforschung anderer Ozeanwelten zu erproben. Denn die Erde ist nur einer von vermutlich 10 planetaren Körpern unseres Sonnensystems, auf denen eisbedeckte Ozeane vermutet werden.

Von Bord grüßen bei bester Gesundheit die wissenschaftlichen Teilnehmer der Karasik Expedition ihre Familien, Freunde und Kollegen.

 

Antje Boetius

 

 

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