MEERJUNGFRAUEN enthüllen Geheimnisse unterhalb des Meeresbodens

Seismologen nutzen von Erdbeben erzeugte Wellen, um das Innere unseres Planeten zu scannen, ähnlich wie Ärzte ihre Patienten mit der medizinischen Tomographie abbilden. Die Erdbildgebung hat uns geholfen, die tiefen Ursprünge vulkanischer Inseln wie Hawaii aufzuspüren und die Ursprungszonen tiefer Erdbeben zu identifizieren.

„Stellen Sie sich einen Radiologen vor, der gezwungen ist, mit einem Computertomographen zu arbeiten, dem zwei Drittel seiner notwendigen Sensoren fehlen“, sagte Frederik Simons, Professor für Geowissenschaften in Princeton. „Zwei Drittel davon ist der Anteil der Erde, der von Ozeanen bedeckt ist und daher keine seismischen Aufzeichnungsstationen hat. Mit dieser Situation sind Seismologen konfrontiert, die versuchen, ihre Bilder vom Inneren unseres Planeten zu schärfen.“

Vor etwa 15 Jahren, als er Postdoktorand war, schloss sich Simons mit Guust Nolet zusammen, dem heutigen emeritierten George J. Magee-Professor für Geowissenschaften und Geologische Technik, und sie beschlossen, diese Situation durch den Bau eines Unterwasserroboters mit einem Hydrophon zu beheben – Ein Unterwassermikrofon, das die Geräusche entfernter Erdbeben auffangen kann, deren Wellen über den Meeresboden akustische Energie in die Ozeane liefern.

Eine kürzlich in der Nähe von Tahiti gestartete MEERJUNGFRAU sendet Nachrichten an den Satelliten, bevor sie eine Meile unter Wasser taucht, um mit der Überwachung auf Erdbebensignale zu beginnen.

Meerjungfrauen treiben eine Meile unter der Oberfläche und bedecken ein großes Gebiet. Die roten Kreise zeigen, wo eine MEERJUNGFRAU ein seismisches Signal empfangen hat.

Wenn das Mantelgestein heiß ist, bremst es seismische Wellen. Dieses Diagramm zeigt (in Prozent), wie viel langsamer sich die Welle in einem Querschnitt entlang des Längengrads 91 Grad westlich ausbreitet. Das Diagramm erstreckt sich bis zum Erdkern (2.890 km oder etwa 1.800 Meilen) und reicht vom 20. Grad südlicher Breite bis zum 20. Grad nördlicher Breite. Die rötlichen Farben zeigen, wo die Wellen langsamer werden. Galápagos liegt in der Nähe des Äquators, von dem aus eine breite, wolkenartige Struktur nahe 1 Grad nördlicher Breite bis in eine Tiefe von 1.900 km (ca. 1.200 Meilen) abfällt.

Ein Foto, das während der Entwicklung der MERMAIDs aufgenommen wurde, zeigt eines, wie es an die Oberfläche steigt, nachdem es eine Erdbebenwelle aufgezeichnet hat. An der Oberfläche angekommen, sendet es ein Seismogramm per Satellit an die Wissenschaftler. Simons und Nolet testeten frühe MERMAID-Prototypen mit Forschungspartnern am Scripps Institution of Oceanography in La Jolla, Kalifornien. Die Prototypen zeichneten erfolgreich Erdbebenwellen auf, doch ihre Idee stieß aufgrund des hohen Lärmpegels der Meereswellen weiterhin auf Skepsis. Doch als Nolet 2008 in Princeton emeritiert wurde und nach Geoázur an der Universität Nizza in Frankreich wechselte, konnten er und sein leitender Ingenieur Yann Hello dank der Finanzierung durch den Europäischen Forschungsrat die MERMAIDs vollständig entwickeln, die inzwischen kommerziell erhältlich sind.

Diese beiden Son-O-Mermaid-Instrumente, eine spätere Generation der seismischen Sensoren, wurden von Simons und seinem Team nach Bermuda gebracht, um in Zusammenarbeit mit dem Bermuda Institute for Ocean Sciences eingesetzt zu werden. Auf diesem Foto werden die Instrumente an Deck befestigt, bevor sie im Wasser eingesetzt werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Meeresboden-Seismometern, die an stationären Standorten platziert sind und zur Datengewinnung abgerufen werden müssen, treiben MERMAID und Son-O-Mermaid mit den Meeresströmungen und melden mithilfe drahtloser Technologie regelmäßig Daten an Wissenschaftler. Für die gleichen Kosten wie ein Meeresbodenseismometer können mehrere davon eingesetzt werden.

Joel Simon, ein Geowissenschaftsstudent aus Princeton, dessen Forschungsschwerpunkt auf der Analyse der Son-O-Mermaid-Daten liegt, justiert Kabel und bereitet das Instrument für einen Testlauf vor. Simon reiste eine Woche vor dem Einsatz mit den Ingenieuren nach Bermuda, um die Teile des Instruments aus dem Versandcontainer auszupacken und zusammenzubauen.

Ein Son-O-Mermaid-Instrument wird an einem Kran befestigt und ins Meer gelassen. Als nächstes werden die Forscher 1.000 Meter (mehr als 3.200 Fuß) Kabel ausrollen, die die Oberflächenboje mit Hydrophonen verbinden, Mikrofonen, die Geräusche im Wasser aufzeichnen und auf Erdbeben im Ozean „horchen“. Wenn ein Erdbeben erkannt wird, sendet das Gerät einen Seismographen per E-Mail an die Wissenschaftler.

Harold „Bud“ Vincent, Forschungsprofessor an der University of Rhode Island und Hauptmitarbeiter bei der Entwicklung und dem Bau von Son-O-Mermaid, bereitet einen Teil des Instruments vor dem Einsatz vor. Nachdem der erste Prototyp 2012 vor der Küste der Bahamas vom Hurrikan Sandy getroffen wurde, haben Simons und Vincent in den letzten drei Jahren daran gearbeitet, Son-O-Mermaid zu verfeinern und einen Teil des Designs anzupassen, um ihn robuster zu machen.

Ein Son-O-Mermaid-Instrument im Wasser. Das Forschungsteam setzte die Bojen mehrmals aus und holte sie ein, um zu testen, ob alles funktionierte, und um verbleibende Knicke zu identifizieren. Die bevorstehende Aufgabe besteht nun darin, eine robuste neue Generation von Son-O-Mermaid-Instrumenten zu konstruieren, um die wachsende Zahl von Erdbebenrekordern in den Ozeanen zu ergänzen. Mit jedem neuen Instrument, das eingesetzt wird, werden Simons und seine Kollegen dazu beitragen, das Bild vom Inneren unseres Planeten zu vervollständigen.

Diese Woche veröffentlichten Nolet, Simons und ein internationales Forscherteam die ersten wissenschaftlichen Ergebnisse der revolutionären seismischen Schwimmkörper mit dem Namen MERMAIDs – Mobile Earthquake Recording in Marine Areas by Independent Divers. Die Forscher von Institutionen in den Vereinigten Staaten, Frankreich, Ecuador und China fanden heraus, dass die Vulkane auf Galapagos über eine schmale Leitung, die heißes Gestein an die Oberfläche befördert, von einer 1.200 Meilen (1.900 km) tiefen Quelle gespeist werden. Solche „Mantle Plumes“ wurden erstmals 1971 von einem der Väter der Plattentektonik, dem Geophysiker W. Jason Morgan aus Princeton, vorgeschlagen, aber sie haben sich Versuchen einer detaillierten seismischen Bildgebung widersetzt, weil sie in den Ozeanen und selten in der Nähe seismischer Stationen zu finden sind.

MEERJUNGFRAUEN treiben passiv, normalerweise in einer Tiefe von 1.500 Metern – etwa eine Meile unter der Meeresoberfläche – und bewegen sich 2–3 Meilen pro Tag. Wenn ein mögliches Erdbeben erkannt wird, steigt es normalerweise innerhalb von 95 Minuten an die Oberfläche, um seine Position per GPS zu bestimmen und die seismischen Daten zu übertragen.

Indem sie ihre neun Roboter zwei Jahre lang frei schweben ließen, schufen die Wissenschaftler ein künstliches Netzwerk ozeanischer Seismometer, das einen der leeren Bereiche auf der globalen geologischen Karte füllen könnte, wo sonst keine seismischen Informationen verfügbar wären.

Die unerwartet hohe Temperatur, die ihr Modell in der Galapagos-Mantelwolke zeigt, „deutet auf die wichtige Rolle hin, die die Wolken bei dem Mechanismus spielen, der es der Erde ermöglicht, sich warm zu halten“, sagte Nolet.

„Seit dem 19. Jahrhundert, als Lord Kelvin vorhersagte, dass die Erde innerhalb von hundert Millionen Jahren abkühlen würde, um ein toter Planet zu sein, kämpfen Geophysiker mit dem Rätsel, dass die Erde über mehr als 4,5 Milliarden Jahre hinweg eine ziemlich konstante Temperatur gehalten hat“, erklärte Nolet . „Dies wäre nur möglich gewesen, wenn ein Teil der ursprünglichen Wärme aus seiner Akkretion und der seither durch radioaktive Mineralien erzeugten Wärme im unteren Erdmantel eingeschlossen bleiben könnte. Die meisten Modelle der Erde sagen jedoch voraus, dass der Erdmantel stark konvektieren und diese Wärme abgeben sollte viel schneller erhitzen. Diese Ergebnisse des Galápagos-Experiments deuten auf eine alternative Erklärung hin: Der untere Mantel widersteht möglicherweise der Konvektion und bringt Wärme stattdessen nur in Form von Mantelwolken an die Oberfläche, wie sie bei der Entstehung von Galápagos und Hawaii vorkommen.“

Um weitere Fragen zum Wärmehaushalt der Erde und zur Rolle der Mantelwolken darin zu beantworten, haben sich Simons und Nolet mit Seismologen der Southern University of Science and Technology (SUSTech) in Shenzhen, China, und der Japan Agency zusammengetan für Marine-Earth-Wissenschaft und -Technologie (JAMSTEC). Zusammen und mit Schiffen der französischen Forschungsflotte sind sie dabei, rund 50 MERMAIDs in den Südpazifik zu schicken, um die Mantelwolkenregion unter der Insel Tahiti zu untersuchen.

„Bleiben Sie dran! Es stehen noch viele weitere Entdeckungen bevor“, sagte Yongshun (John) Chen, ein Absolvent des Princeton-Studiums von 1989 und Leiter der Abteilung für Meereswissenschaften und -technik bei SUSTech, die die nächste Phase ihrer und ihrer Aktivitäten leitet Das internationale Team hat EarthScope-Oceans genannt.

„Imaging the Galápagos Mantel Plume mit einer unkonventionellen Anwendung von schwimmenden Seismometern“, von Guust Nolet, Yann Hello, Suzan van der Lee, Sébastien Bonnieux, Mario C. Ruiz, Nelson A. Pazmino, Anne Deschamps, Marc M. Regnier, Yvonne Font , Yongshun J. Chen und Frederik J. Simons Scientific Reports, 2019, doi: 10.1038/s41598-018-36835-w. Die MERMAIDs und ihre Entwicklung wurden durch den ERC Advanced Grant 226837 „Globalseis“ finanziert. Die Universität Nizza (jetzt: Université de la Côte d'Azur) und das Observatoire de la Côte d'Azur steuerten zusätzliche Mittel bei und INOCAR stellte das Schiff zur Verfügung, mit dem die MERMAIDs gestartet wurden.