Technologische Revolutionen in Sensorik, Robotik und Telekommunikation ermöglichen neue Ansichten des Ozeans

Technologische Revolutionen in Sensorik, Robotik und Telekommunikation ermöglichen neue Ansichten des Ozeans

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Anonim

Wissenschaftler finden Unterwasserberge, entdecken neue Arten und spionieren Fische aus

Wissenschaftler können nun den Meeresboden in abgelegenen Gebieten der Arktis visualisieren, Verstecke von Steinfischen beobachten und Livebilder von Korallenstädten Tausende von Metern unter der Meeresoberfläche sehen. Bald können ihre Roboter auf dem Meeresboden "leben" - von Anzeichen von Tsunamis bis zu den Auswirkungen von Tiefseebohrungen.

"Wir haben sehr komplexe Probleme im Ozean, aber wir haben die Dinge mit einem schmalen Strohhalm betrachtet", erklärt James Bellingham vom Monterey Bay Research Institute. "Wir versuchen, diese Sicht zu erweitern - hier geht es darum, den Ozean transparent zu machen."

In einer Pressekonferenz der American Association for Advancement of Science am 19. Februar um 14:00 Uhr diskutieren Wissenschaftler über Innovationen in der Unterwasserforschung und wie sie sowohl die Wissenschaft als auch das Management voranbringen.

"Für jedes Werkzeug, das wir erforschen müssen - Raumstationen, angebundene Missionen, Rover, Kartierungen - haben wir ein vergleichbares Werkzeug für die Erforschung des Ozeans", sagt James Lindholm vom Pfleger-Institut. "Mit dieser Reihe von Technologien können wir eine Umgebung untersuchen, die dem menschlichen Leben gleichermaßen feindlich gegenübersteht."

"Es ist aufregend", fügt Les Watling von der University of Maine hinzu. "Es hat seit hundert Jahren keine echte Erforschung mehr im Ozean gegeben."

Neue Mächte der Kartierung

In der Vergangenheit wurden Meeresgrundkarten auf der Grundlage individueller Tiefenmessungen erstellt, die mühsam an diskreten Stellen im Meer aufgenommen wurden. Diese Punkte bildeten ein Muster, mit dem Wissenschaftler Karten zeichnen konnten, aber das war so gut wie es nur ging. "Sie können die Punkte verbinden und einen Umriss erhalten, aber das ist wie der Unterschied zwischen einem Punkt-zu-Punkt-Umriss des Gesichts einer Person und einem Foto der Person", sagt Larry Mayer von der University of New Hampshire.

Heutzutage sprüht ein mehrstrahliges Sonar Schallwellen, um den Meeresboden abzutasten. Dabei wird alles sichtbar, von 3-Zentimeter-Sandkämmen bis zu 4.000-Meter-Unterwasserbergen - von Kanonenläufen vor den Küsten der Normandie bis zu den Konturen eines beliebten Fischgrundes. Die Technologie für dieses detaillierte Mapping gibt es schon seit mehreren Jahren, aber wie Mayer erklärt: "Jedes Mal, wenn wir dort rausgehen, finden wir Unmengen von Überraschungen, Features, von denen wir nicht wussten, dass sie da sind."

"Über 90% der US-Importe kommen per Schiff", fügt Mayer hinzu. "Wenn diese Schiffe auf Grund laufen oder verschüttet werden, ist dies ein Problem. Detaillierte Karten können diese Unfälle verhindern. Sie sind wichtig für die Sicherheit und die Umwelt."

Mayer und seine Gruppe kartografieren derzeit unerforschte Gebiete der Arktis. Im Jahr 2003 entdeckte sein Team einen Seeberg, der sich 3.000 Meter über dem Meeresboden erhebt - eine Navigationsgefahr, die trotz des starken Unterwasserverkehrs in der Region auf keiner der Karten verzeichnet war. Die Wichtigkeit dieser Entdeckung wurde im vergangenen Monat hervorgehoben, als die USS San Francisco - ein U-Boot der Navy - auf einem unbekannten Meeresberg auf Grund lief, ein Besatzungsmitglied tötete und Dutzende verletzte.

Mayers Team verwendet auch 3D-Visualisierungen des Meeresbodens, um Managern, Fischern und Naturschützern dabei zu helfen, neue Lösungen für den Schutz von Ressourcen zu finden. Sie brachten Jakobsmuschelfischer in ihre Labors, um sie durch ein 3D-Unterwasserbild ihrer Fischgründe zu "fliegen". "Sie kannten diese Gebiete schon seit Jahren, aber jetzt konnten sie es endlich sehen", sagt Mayer. Die besten dieser Fischer erkannten den Meeresboden, den sie sich im Geiste vorgestellt hatten, und riefen Kosenamen bekannter Unebenheiten auf, auf denen sich Fische und Schalentiere versammelten. Ironischerweise nimmt die neue Technologie den Wettbewerbsvorteil dieser erfahrenen Fischer und erleichtert die Überfischung der Bevölkerung, kann aber auch zu Win-Win-Situationen führen. Die Fischer können ihre Rechen genau dort platzieren, wo sich die Jakobsmuscheln befinden, was die Anzahl der schädlichen Schleppnetze am Boden verringert und es ihnen ermöglicht, leichtere und umweltfreundlichere Geräte zu verwenden. Sie können ihre Quote auch in einem Viertel der Zeit erreichen, was zu geringeren Schiffs- und Treibstoffkosten führen könnte.

Manager können auch Mehrstrahl-Sonare einsetzen, um die Fischereitätigkeit in Gebieten zu überwachen, die geschlossen oder vor bestimmten Fanggeräten geschützt sind. Mit den detaillierten Kartensystemen können Wissenschaftler Schleppnetzmarkierungen auf dem Meeresboden erkennen. In neuen Studien wird die Verweildauer solcher Markierungen untersucht, damit anhand der Karten illegale Fischereipraktiken aufgedeckt werden können.

Lebe in Farbe vom Meeresgrund

Les Watling verwendet hochmoderne ROVs und Kameras, um das Leben auf Seebergen zu untersuchen. Sein Team legt Hunderte von Kilometern vor der Küste ab, kartografiert ein Gebiet mit dem Mehrstrahl-Sonar und sendet dann kleine Roboter aus, um Berghänge zu erkunden, die das menschliche Auge noch nie zuvor gesehen hat.

"Wir sehen alles, von kleinen, zwei Zoll großen Korallen bis zu 12 Fuß hohen Korallen und Schwämmen aller Formen, Größen und Designs", sagt Watling. "Man kann mitgehen und etwas finden, das völlig bizarr ist. Es ist wichtig, die biologische Vielfalt zu verstehen und das Leben auf der Erde aufzuzeichnen."

Im vergangenen Sommer entdeckte Watlings Gruppe in den Gewässern vor Alaska einen räuberischen Schwamm, der 1, 5 Fuß hoch war und sich wie eine Fliegenfalle für den Fang von Krustentieren verhielt. Die einzige ähnliche Art, die der Welt bekannt ist, wurde in einer Höhle im Mittelmeer gefunden und ist nur 3 bis 4 Zoll groß. Sie entdeckten auch Würmer, die Korallen dazu bringen, Tunnel in ihren Skeletten zu bilden, und eine einzigartige Assoziation, in der Garnelen eine bestimmte Art von Tiefseekorallen als Versteck verwenden, wenn sie Eier tragen. Jetzt dokumentieren sie Korallen über den Atlantik und versuchen, Tiefseeprozesse zu verstehen, die es diesen Tieren ermöglichen, sich weit unterhalb der viel befahrenen Golfstromautobahn zu zerstreuen, die viele Tiere für den Transport verwenden.

Der North Pacific Fisheries Management Council hat in der vergangenen Woche mehr als 370.000 Quadratkilometer vor der Küste Alaskas vor dem Schleppnetzfang geschützt. Watling hofft, dass seine Forschungen über die Assoziationen von Tiefseekorallen, Fischen und anderen Arten die Erhaltungsentscheidungen weiterhin beeinflussen werden.

"Wir wissen, dass diese Korallen alle sehr langlebig sind - von ein paar hundert bis zu ein paar tausend Jahren -, aber wir wissen nicht, wie schnell wir sie zum Aussterben zwingen können", sagt Watling. "Wenn es um Wirbellose im tiefen Wasser geht, wissen wir kaum, wer sie sind."

Bemannte Missionen

Mary Yoklavich von der NOAA Fisheries und andere Wissenschaftler, die in Tauchbooten in die Tiefsee reisen, haben kürzlich eine neue Korallenart nur 20 Meilen vor der Küste von Los Angeles gefunden. Diese "Christmas Tree Corals", die in der Ausgabe vom 8. Februar von Zootaxa veröffentlicht wurden, leben 100 bis 225 Meter unter dem Meer in buschigen Kolonien aus Rosa, Weiß und Rot. Die Wissenschaftler vermuten, dass die Korallen aufgrund der geringen Anzahl an Grundschleppnetzen in der Region gesund geblieben sind.

"Es ist unglaublich", sagt Yoklavich. "Sie befinden sich in unmittelbarer Nähe des größten Stadtgebiets der Westküste, in einem Gebiet mit vielen Möglichkeiten zum Bootfahren, Angeln und Aktivitäten - und doch ist diese spektakuläre Art unbemerkt geblieben", sagt Yoklavich. "Und das sind nicht nur winzige Kolonien - das sind 8 Fuß hohe Bäume, manchmal 10-20 Fuß breit."

Wissenschaftler betrachteten die Korallen zum ersten Mal, während sie Steinfische aus der Nähe des bemannten Tauchboots Delta untersuchten. Die Forscher liegen seitlich in der Nase des U-Boots und wickeln ihre Beine um den Pilotensessel, spähen die Bullaugen aus und rufen vorbeiziehende Arten auf.

Yoklavich nutzt das Delta, um Steinfische in dem tiefen felsigen Lebensraum zu beobachten, den sie als Heimat bezeichnen - in Gebieten, in denen traditionelle Netzerhebungen nicht effektiv sind. Die über 60 Arten von Steinfischen sind seit fast 75 Jahren das Brot und die Butter der Küstengemeinden an der Westküste der USA, aber die Populationen gehen zurück. Die direkte Beobachtung des Meeresbodens ist die einzige Möglichkeit, Verbindungen zwischen Korallen, Steinfischen und anderen Tiefseetieren zu erkennen - Informationen, die für die Entwicklung wirksamer Schutzmaßnahmen entscheidend sind.

"Es ist eine andere Erfahrung", erklärt Yoklavich. "Sie befinden sich in dem Medium, in dem Lebensraum, und können Erfahrungen aus erster Hand sammeln. Wir haben einen kommerziellen Fischer auf den Meeresboden gebracht - er hat seit seinem vierten Lebensjahr gefischt, aber es war eine andere Welt als das, was er verstand von seinen Netzen. " Yoklavich ist überzeugt, dass jeder, der mit dem Ozean arbeitet, die Möglichkeit haben sollte, auf den Grund des Meeres zu reisen.

Cindy Lee Van Dover, Tiefseeökologin und ehemalige Alvin-Pilotin vom College of William & Mary, stimmt dem zu. "Die Wichtigkeit, dort zu sein, ist nicht zu unterschätzen", sagt sie. "Keine Menge Videos vom Meeresboden zu sehen, bereitet einen auf den Blick und die Einsicht vor, die man aus diesem ersten Blick durch ein Ansichtsfenster in der Tiefe gewinnt. Ihr Herz wird rasen, Ihre Atmung wird innehalten, und Sie werden sich selbst sagen: 'Jetzt ich verstehen'."

Seit mehr als 40 Jahren befördern Alvin-Piloten Hunderte von Wissenschaftlern in Tiefen von bis zu 4500 Metern zum Meeresboden. "Tiefseetauchgänge in Alvin haben die Art und Weise, wie wir die Plattentektonik, die Bildung und das Schicksal des Meeresbodens sowie Einschränkungen der Natur und Entwicklung des Lebens - auf diesem Planeten und anderen - betrachten, verändert", sagt Van Dover. Ein neues Tauchboot, das in der Lage ist, bis zu 6500 Meter zu tauchen und Zugang zu mehr als 90% des Ozeans bietet, soll Alvin im Jahr 2008 ersetzen.

Ozean-Aquanauten

Aquarius, die einzige "Weltraum" -Unterseestation der Welt, bietet Forschern die Möglichkeit, mehr als nur den Meeresboden zu besuchen: Wissenschaftler absolvieren 10-tägige Missionen, nicht zum Mars, sondern in den "Weltraum" vor der Küste Floridas.

"Sie leben tatsächlich unter Wasser mit den Fischen. Sie können sie beobachten, während Sie duschen, auf Ihrer Koje liegen oder zu Abend essen", sagt Lindholm, der sich auf seine dritte Unterwasserforschungsreise in diesem Herbst vorbereitet.

Der Wassermann befindet sich ungefähr 15 Meter unter dem Meeresspiegel, wo der Druck auf die Taucher das 2, 5-fache des Drucks ist, den wir an Land erfahren. Es ermöglicht Wissenschaftlern, bis zu 7 Stunden lang zu tauchen. Dies öffnet die Tür für Forschungen und Beobachtungen, die beim Oberflächentauchen nicht möglich sind.

"Unmittelbar nach einem Sturm auf einer unserer Reisen sahen wir Hunderte und Hunderte von Fischherden, die sich über das Riff bewegten - normalerweise als Einzelgänger oder zu zweit", sagt Lindholm. "Wir hätten das nie gesehen, wenn wir nicht da gewesen wären."

Lindholms Gruppe arbeitet mit beliebten Rifffischen wie Zackenbarschen, Schnappern und Papageienfischen. Sie implantiert akustische Sender, um die Fischbewegungen zu verfolgen, damit die Manager die Auswirkungen von Sperrgebieten auf das Fischen besser verstehen können.

"Die Arbeit an den Fischen in ihrer natürlichen Umgebung ist unglaublich vorteilhaft", sagt Lindholm. "Wir reduzieren den Stress für die Fische während der Operation und können kürzlich getaggte Fische mehrere Tage lang beobachten, um sicherzustellen, dass sie zu ihrem normalen Verhalten zurückkehren. Dies ist für unsere Forschung von entscheidender Bedeutung."

Sobald die Tiere markiert und die akustischen Empfänger auf dem Riff platziert sind, können Lindholm und sein Team einzelne Fische lange nach Abschluss der Mission verfolgen - alle drei Minuten für bis zu fünf Jahre. Bisher zeigen ihre Ergebnisse, dass diese Rifffische über die Jahreszeiten in der Nähe ihrer Heimat bleiben, was darauf hindeutet, dass relativ kleine Reserven für diese Populationen einen erheblichen langfristigen Schutz bieten können.

Point and Click-Ozeanographie

Wissenschaftler werden bald in der Lage sein, die Tiefsee ganztägig bequem von ihrem eigenen Wohnzimmer aus zu überwachen. Ein Testsystem, das für diesen Herbst in Monterey Bay geplant ist, wird ein Kabel von der Größe eines durchschnittlichen Gartenschlauchs verwenden, um Strom und Internetverbindung zum Ozean zu bringen. Diese neuen Steckdosen im Meer ermöglichen es komplexen Instrumenten und Roboterfahrzeugen, im Wasser zu bleiben und Daten in Echtzeit an Land zu senden, ohne an die Oberfläche angeschlossen zu sein. Wissenschaftler und Ingenieure hoffen, dass wir mit dieser neuen Technologie in Zukunft die gesamten Meeresbecken verkabeln können.

"Es ist schwer zu verstehen, wie wichtig es ist, bis man es mit der heutigen Arbeitsweise in den Ozeanen vergleicht", sagt Bellingham. "Wir fahren auf Schiffen zur See und besuchen bestimmte Orte für kurze Zeit. Aber was den Ozean prägt, sind hochgradig episodische Ereignisse, die schnell und intensiv sind - Algenblüten, Auftriebsereignisse, tiefe ozeanische Konvektion. Wir müssen sehr, sehr viel Glück haben zur richtigen Zeit am richtigen Ort zu sein, um diese Ereignisse zu sehen. "

Überwachungsgeräte auf See nehmen diesem Element des Glücks den Garaus und ermöglichen Beobachtungen rund um die Uhr sowie die Echtzeit-Konnektivität, die für die Untersuchung kurzlebiger und oft unvorhersehbarer Ereignisse erforderlich ist. Viele der "Hochenergieereignisse" gehen Hand in Hand mit gefährlichen Seebedingungen. "Wenn das Wetter schlecht ist, ist es am besten, diese Dinge zu studieren, und dann ist es nicht sicher, da draußen zu sein", erklärt Bellingham.

Es gibt auch andere Vorteile. In jüngsten Testversuchen zu den Auswirkungen der Kohlendioxidbindung stellten die Wissenschaftler fest, dass chemische Reaktionen im Labor ganz anders abliefen als auf dem Meeresboden. Mit dem neuen System können Wissenschaftler, die alles von der Meeresbodenökologie über Walmigrationen bis hin zu seismischen Aktivitäten und Tsunamis untersuchen, Ozeanexperimente in der Tiefe durchführen. "Es wird eine Ära der Point-and-Click-Ozeanographie", sagt Bellingham.

"Jedes Mal, wenn wir eine neue Arbeitsweise im Ozean gefunden haben, haben wir neue Entdeckungen gemacht, aber wir wissen nicht, was wir sehen werden", fügt er hinzu. "Galileo hat nicht gesagt, 'es müssen Sonnenflecken und Krater auf dem Mond sein, damit ich ein Teleskop baue'."

Außerdem erklärt Mayer, der einst als Finalist für die Astronautenkarriere kandidierte: "Es macht einfach Spaß, das Unbekannte zu erkunden."

Quelle: SeaWeb