D5 Unterwasserakustik

Thema

Die Unterwasserakustik nutzt die Schallausbreitung im Ozean, um Eigenschaften aus der Ferne oder in Wassermengen zu messen, die mit herkömmlichen Sensoren nicht erreichbar sind. Die Schallgeschwindigkeit im Meerwasser hängt von drei Faktoren gleichzeitig ab – Temperatur, Salzgehalt und Druck –, wie die Mackenzie-Formel beschreibt: Sie steigt mit der Temperatur, allerdings mit abnehmender Intensität; sie steigt auch mit dem Salzgehalt oberhalb eines Referenzwertes von etwa 35 praktischen Salzeinheiten; und schließlich steigt sie mit der Tiefe selbst, da der Wasserdruck zunimmt. In einer Tiefe zwischen 700 und 1200 Metern gibt es eine Schicht, in der die Schallgeschwindigkeit ihren Minimalwert erreicht. Genau dieses Minimum bewirkt, dass der Schall in dieser Schicht gefangen wird und sich mit minimalem Energieverlust über Tausende von Kilometern ausbreitet.

Die ozeanische akustische Tomographie nutzt diese Langstreckenausbreitung: Sie misst die Laufzeit eines Schallimpulses zwischen Sender und Empfänger und leitet daraus die durchschnittliche Wassertemperatur entlang des gesamten Schallwegs ab. Die Genauigkeit dieser Technik beträgt lediglich zehn Millisekunden Laufzeit, was einer Entfernung von etwa fünfzehn Metern entspricht. Dies wiederum ermöglicht eine Genauigkeit von einem Hundertstel Grad bei der Messung der Durchschnittstemperatur der gesamten durchquerten Wassersäule. Dank dieser Präzision kann die ozeanische akustische Tomographie Temperaturänderungen erfassen, die für andere Methoden in diesem Maßstab zu gering sind.

Das Langstrecken-Doppler-Strömungsprofiliergerät hingegen nutzt Impulse mit einer deutlich niedrigeren Frequenz zwischen 75 und 300 Kilohertz, um Strömungen bis in Tiefen von 300 bis 800 Metern zu erfassen. Genau diese niedrigere Frequenz verleiht ihm eine wesentlich größere Reichweite als einem herkömmlichen Doppler-Strömungsprofiliergerät. Daher gilt dieses Instrument als Standard für groß angelegte globale hydrographische Vermessungen und Langzeitüberwachungen.

Fächerecholot hingegen misst weder Temperatur noch Strömungen, sondern die Form des Meeresbodens selbst: Es sendet einen Fächer aus Schallwellen nach unten und empfängt die vom Meeresboden zurückgeworfenen Echos. So erstellt es bathymetrische Karten mit einer Auflösung von Metern bis zu mehreren zehn Metern und einer Abdeckung von mehreren Kilometern Breite pro Messdurchgang. Es ist die Standardmethode zur Kartierung des Meeresbodens und ermöglicht die Erkennung geologischer Strukturen und hydrothermaler Quellen. Durch die Analyse der Intensität des zurückkehrenden Echos lässt sich zudem die Art des Meeresbodens bestimmen, der dieses Echo erzeugt hat.

Das passive Abhören mit Hydrophonen erzeugt schließlich keinen eigenen Schall: Es lauscht einfach dem Ozean, und dieses Abhören genügt, um die Anwesenheit von Meeressäugern, Erdbeben und Unterwasser-Atomexplosionen zu erfassen. Das bedeutet, dass ein einfaches Hydrophon, ohne selbst Schall zu erzeugen, den Ozean genauso genau überwachen kann wie Instrumente, die Geräusche aussenden. Somit ist die Unterwasserakustik, die sowohl Schallwellen aussendet als auch empfängt – die Tomographie, die die Temperatur misst, das Profiler, das die Strömungen misst, das Sonar, das den Meeresboden kartiert – als auch Schallwellen, die sie einfach nur empfängt, ohne selbst etwas auszusenden, letztendlich die einzige Möglichkeit, einen Ozean zu sehen, zu hören und zu vermessen, den keine andere Technik vollständig durchdringen kann.

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