Ringvorlesung: Räume. Schatzsuche im Meer

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1 Ringvorlesung: Räume Schatzsuche im Meer Dr.-Ing. Wolf-Dieter Heinitz Institute für Automatisierung Fakultät für Informatik und Elektrotechnik Universität Rostock R.-Wagner-Str. 31, Rostock wolf-dieter.heinitz@.uni-rostock.de WEB: Schätze in den Meeren Was sind Schätze? -- Alles was einen materielle oder ideellen Wert hat! Gold, Silber, Edelsteine, Juwelen Nahrungsmittel Fische, Muscheln, Algen Bodenschätze - Öl, Gas, Gashydrid, Mangan-Knollen, Erzschlämme, Steine, Kiese und Sande Archäologische Schätze Wracks, Bauwerke, Porzellan, Werkzeuge, Skulpturen Wissenschaftliche Erkenntnisse Morphologie des Meeresbodens - Wassertiefe Flora und Fauna in den Meeren, insbesondere in der Tiefsee Strömungen und Temperaturen der Meere (El Ninio), gespeicherte Gase (z.b. CO 2 ) beides ist sehr bedeutend in der Klimaforschung Seite 2

2 Im Meer versunkene Schiffe # Jahr Schiffe Schätze Mill Galeonen Gold, Juwelen San Jose Gold, Smaragde Sussex Gold, Münzen Flora De La Mar Gold, Juwelen Seite 3 Nahrungsmittel aus dem Meer Weltweiter Fischfang Über 1 Mill. Fischereifahrzeuge und ca. 2 Mill kleine Fischerboote Jährlich 80 Mill. Tonnen Fisch (bei 2 /kg = 160 Mrd. ) Beifang ca. 30 Mill. Tonnen/Jahr Fisch deckt zu ca. 15% den Bedarf an tierischem Eiweiß Seit ca stabile Fangquoten, das Weltpotential ist erreicht! Überfischung vieler Fischarten Aufzucht in Aquakulturen Seite 4

3 Bodenschätze aus dem Meer Erdöl und Erdgas Weltweit jährlich ca. 28 Mrd. Barrel Öl (159 l = 135 Kg) ca. 3,8 Mrd. t Bei zz. 70 / Barrel das entspricht ca Mrd. 25 % aus dem Meer, also ca. 7 Mrd. Barrel das entspricht einem Würfel ca. 1 km 3 bei einem Wert von ca. 490 Mrd. Seite 5 Bodenschätze aus dem Meer Erdöl und Erdgas aus der Nordsee Ungefähr 7% der weltweiten Erdölförderung kommen zz. aus der Nordsee. Mehr als 400 Plattformen mit ca km Pipelines In Zukunft Erschließung von Öl und Gasfeldern in der Tiefsee ( m WT) Ende der Vorräte ca ??? Seite 6

4 Bodenschä Bodenschätze aus dem Meer Gashydrat, die Energiequelle der Zukunft? ¾ 1970 erster Fund natürlicher MethanGashydrate ¾ Gashydrat besteht zu ca. 90% aus Methan; ¾ 1 m3 Gashydrat entspricht ca. 163 m3 CH4 ¾ Bedingungen für die Entstehung: - Organisches Material - Hoher Druck - Niedrige Temperatur CH4 * 5.7 H2O Rostock 2007 Dr. W.W.-D. Heinitz, Universitä Universität Rostock Seite 7 Bodenschä Bodenschätze aus dem Meer Gashydrat: Weltweite Fundorte: Wenige bis 180 Meter unter dem Meeresboden, bevorzugt in Sedimenten, an Kontinentabhängen und in arktischen Permafrostgebieten Rostock 2007 Dr. W.W.-D. Heinitz, Universitä Universität Rostock Seite 8

5 Bodenschätze aus dem Meer Gashydrat (Methaneis) In Gashydraten gespeicherte Menge an Methan übertrifft das in anderen Kohlenwasserstoff-Reservoirs gespeicherte Energiepotential um ein mehrfaches! Seite 9 Bodenschätze aus dem Meer Förderung schwierig, möglich durch: - Temperaturerhöhung - Drucksenkung - Lösungsmittel Förderung gefährlich auf Grund möglicher Instabilität, so genannter geogener Risikofaktoren wie Klimagas und der Stabilität der Kontinentalabhänge Gashydrat: Gt Kontinentalhangstabilität, eine Gefahr der Entstehung von Tsunamis Bei weitere Klimaerwärmung kann das Gashydrat selbständig in die Atmosphäre gelangen Methan als Treibhausgas ist 30-fach wirksamer als CO 2 Seite 10

6 Archäologische Schätze Die Wikinger In der Nähe von Schleswig am Haddebyer Noor Haithabu Handelszentrum Seehandel mit Birka (S) und Dorestad (NL) Schleswig Ab etwa ca. 750 bis ca Kurze Verbindung Ostsee-Nordsee (Treene Eider) Danewerk Seite 11 Archäologie Unterwasser Haithabu Ungefähr 1000 Einwohner Umgeben von Wall Umfangreiche Ausgrabungen Friedhöfe, Schmuck Ein Schiffswrack Knochen, Waffen Statistische Archäologie Seite 12

7 Archäologie Unterwasser Haddebyer Noor Haithabu mit Ringwall und Danewerk Weitere überdeckte Wracks im Haddebyer Noor? Frühwikinger Seesperrwerk an der Meerenge in der Großen Breite. Entstanden um 750, ein ca m langes Sperrwerk in Blockbauweise Seite 13 Unterwaserarchäologie Unterwasser-Seesperrwerk In der Großen Breite der Schlei im Schlick versunken Befestigungsbauwerk aus Holz in Blockbauweise Die Blockbauwerke haben eine Kantenlänge von ca. 5m Erkundung durch: Sidescansonare Fächersonare Sedimentsonar Taucher Seite 14

8 Die Weltmeere Die Ozeane: Sie bedecken ca. 71% der Erde km² bei durchschnittlicher Wassertiefe von 4000m Ungefähr 90% davon werden gar nicht, oder sehr selten erkundet, das bedeutet eine unsichere Navigation und SOLAS ( Safety of Life at Sea ) Seite 15 Das Wissen über die Weltmeere Das Wissen über die Ozeane: Wir wissen mehr über den Mond und den Mars als über die Weltmeere, nicht mal die Wassertiefen sind hinreichend genau bekannt. Seit 1999 gibt es das GOMaP (Global Ocean Mapping Projekt) Wassertiefen, tiefer als 500m 225 Schiffsjahre = ca. 15 Mrd. US$ in den nächsten 20 Jahren Wassertiefen, 25m 500m 600 Schiffsjahre = ca. 30 Mrd. US$ Google-Earth gibt es, wann kommt Google-Ocean? Seite 16

9 Warum wissen wir so wenig über die Weltmeere? Die größten Probleme: Auf Grund der großen Dämpfung im Wasser können praktisch keine Elektromagnetischen Wellen verwendet werden. Deshalb kommen fast ausschließlich nur akustische Wellen mit all ihren Problemen zur Anwendung. Der Einsatz von Geräten vor Ort ist extrem aufwendig und teuer. (400Bar bei 4000m) Eine Kugel von 1m Durchmesser bei 4000m WT muss einen Druck von ca t aushalten Magnetische Messverfahren sind auch möglich (Magnetometer) Akustische Wellen Elektromagnetische Wellen Seite 17 Allgemeines zur Unterwasserakustik Aufgaben der Unterwasserakustik Viele Systeme die sonst mit Funkwellen arbeiten gibt es auch auf Basis akustischer Wellen: RADAR = Radio Detektion And Ranging SONAR = Sound Navigation And Ranging Entfernungsmesser, Echolot Echo-Sounder Fächerlote - Multibeam-Sonar Seitensicht-Sonare - Sidescan-Sonar Sedimentecholote Subbottom-Profiler Seismische Systeme - Airgun, Sparker Voraus-Sonare - Front Looking-Sonar Unterwasserkommunikation - Acoustical Links Geschwindigkeitsmesser - Doppler Log Unterwassernavigation - Transponder Verschiedenste spezielle militärische SONARE Seite 18

10 Besonderheiten der Unterwasserakustik Frequenzbereiche Reichweite Was ist Schall? Ausbreitung des Schalls im Wasser: Nicht konstant, im Wasser ca m/s (Funkwellen km/s) Schallausbreitung nicht gradlinig Die Dämpfung des Schalls im Wasser: Frequenzproportional (bei 100KHz ca. 0.01dB/m ) Echolote, Fächerlote: ca. 15KHz 400KHz (Reichweiten im Wasser bis m) Die Dämpfung des Schalls im Meeresboden: Frequenzproportional (bei 10KHz in Sand ca. 5dB/m ) Sedimentsonare: 500Hz 10KHz (Reichweite bis ca. 300m) Seismik: unter 500Hz (Reichweite bis einige Kilometer) Tiefe Frequenzen = große Wellenlänge Schlechte räumliche Auflösung Seite 19 Prinzip des Fächerecholotes F (Multibeam( Multibeam-Echosounder) Mehrere einzelne Schallstrahlen quer zur Fahrtrichtung tasten den Boden ab Im Flachwasser bis zu einer Breite, die der 8-fachen Wassertiefe entspricht Daraus werden die Wassertiefen des Meeresbodens berechnet Seite 20

11 Bestimmung der Wassertiefe mit dem FächerecholotF Aus den Daten berechnetes 3-D Geländemodelle Die verschiedenen Farben zeigen die unterschiedlichen Wassertiefen Seite 21 Prinzip eines Sidescan-SONARs SONARs Ein Sidescan-SONAR strahlt flach über den Boden Direkt unter dem Schiff montiert aber meistens geschleppt Alles auf dem Boden liegend wirft einen akustischen Schatten Zur Auffindung von Objekten am Meeresboden Seite 22

12 Bilder eines Sidescan-SONARs SONARs Umsetzung der akustischen Echos in Bilder Ein Schiffswrack Ein Anker mit Kette Ein Flugzeugwrack Seite 23 Sediment-Sonar Sonar (Subbottom( Subbottom-Profiler) Funktionsprinzip Ein Teil des Schalls dringt in den Meeresboden ein und wird von den nächsten Grenzschichten zurück reflektiert Frequenzbereich: 1-10 khz, Reichweite bis ca. 300m; Auflösung: < 10cm Einsatz vom fahrenden Schiff oder auch von einem geschleppten SONAR-Fisch Das größte Problem ist, das Herausfiltern der extrem leisen Signale aus dem Meeresrauschen SES-96 Universität Rostock Fachbereich ET Institut NTIE Schlick Mergel Feinsand Seite 24

13 Bilder von einem Sediment-Sonar Sonar Die Ostsee, im Arkonabecken zwischen Mön und Rügen Seite 25 Bilder von einem Sediment-Sonar Sonar Uran -Tailings in einem künstlichen See bei Zwickau Seite 26

14 Bilder von einem Sediment-Sonar Sonar Herausragende Objekte in der Schlei (Seesperrwerk der Wikinger von 740) Seite 27 Bilder von einem Sediment-Sonar Sonar Verdeckte Objekte im Haddebyer Noor an der Schlei (Wrack?) Seite 28

15 Bilder von einem Sediment-Sonar Sonar Felsuntergrund mit Sedimentbedeckung vor der Küste Gambias (An der Westküste Afrikas im Atlantik) Seite 29 Seismische Systeme (Air( Air-Gun) Funktionsprinzip Reflektionsseismik, ähnlich wie bei Sediment-Sonaren Die Air-Gun wird mit Druckluft betrieben ( >= 200 bar ) und erzeugt explosionsartige eine niederfrequente Luftblase Einsatz erfolgt als geschlepptes System aus Air-Gun und Streamer Der Streamer ist ein Schlauch mit hunderten Unterwasser- Mikrophonen (Hydrophone) bis mehrere Kilometer lang Frequenzbereich: < 500 Hz Die Reichweite in den Meeresboden beträgt bis mehr als 10 km Auflösung schlechter als 3 m Seite 30

16 Anordnung und Anwendung der Airgun Seismik In der Erdölerkundung werden von speziellen Schiffen ganze Array von Air-Guns und Streamern geschleppt. Die Streamer können einige Kilometer lang sein, sie werden durch Flossen auf eine spezielle Wassertiefe eingestellt. Sehr teuer und aufwendig Seite 31 Beispiel für f r eine seismoakustische Profilierung mit Auswertung Seite 32

17 Unterwasser Kommunikation Acoustical Links, Tauchertelefon Modulation der Signale mit Ultraschall Typ. Frequenzen um khz Bis ca. 10 kb/s, Reichweite bis ca. 10 km SOFAR-Kanal (Sound Fixing And Ranging) Im Minimum der Schallgeschwindigkeit Kommunikation über den Ozean möglich Aufnahme von Geräuschen von Tieren Militärische Nutzung zur Kommunikation Seite 33 Unterwasser Navigation Verwendung: Insbesondere zur Steuerung von Unterwasserfahrzeugen wie: Bemannte Tauchboote: z.b. Mir, Alvin ROV (Remotely Operated Vehicle) AUV (Autonomous Underwater Vehicle) Funktionsprinzip Um ein Messgebiet werden Transponder (Transmitter-Responder) positioniert, die genau eingemessen sind. Das Fahrzeug sendet einen Impuls aus, die Transponder antworten. Aus den Laufzeiten der Signale lässt sich über die Geometrie die genaue Position bestimmen. Seite 34