E11 Ozeanische Akustik und Optik

Thema

Die Ozeanakustik untersucht die Schallausbreitung im Ozean. Die Schallgeschwindigkeit hängt von Wassertemperatur, Salzgehalt und Druck ab und liegt typischerweise zwischen 1450 und 1550 Metern pro Sekunde. Genau diese Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von den Eigenschaften des Wassers ermöglicht es, dass Schall auf seinem Weg durch den Ozean Informationen über Temperatur und Salzgehalt des durchquerten Wassers liefert.

In einer Tiefe zwischen 600 und 1200 Metern befindet sich eine Schicht, in der die Schallgeschwindigkeit ihren Minimalwert erreicht. Genau diese minimale Geschwindigkeit führt dazu, dass der Schall in dieser Schicht gebrochen wird und einen tiefen Schallkanal bildet. Dieser ermöglicht es Schallwellen, sich mit minimaler Dämpfung über Tausende von Kilometern auszubreiten. Diese extrem große Reichweite macht den Kanal nützlich für die Fernerkundung des Ozeans, die Verfolgung von Meeressäugern und die unten beschriebene akustische Tomographie.

Die ozeanische akustische Tomographie nutzt diesen tiefen Schallkanal, um die Laufzeit von Schallimpulsen zwischen Sender- und Empfängerpaaren zu messen. Diese Laufzeit ermöglicht es Wissenschaftlern, die durchschnittliche Wassertemperatur entlang des gesamten Schallwegs zu bestimmen, mit einer Empfindlichkeit von zehn Millisekunden Verzögerung pro Grad Celsius Temperaturänderung. Dieses Verfahren ist tatsächlich die einzige Methode, die die Durchschnittstemperatur großer Meeresvolumina mit einer Aktualisierungsrate von nur wenigen Stunden messen kann.

Die Geschwindigkeit von Meeresströmungen wird akustisch mit Profilern gemessen, die den Doppler-Effekt nutzen. Diese Instrumente senden ein akustisches Signal aus, das von Schwebstoffen im Wasser zurückgestreut wird. Die Dopplerverschiebung dieses rückgestreuten Signals erlaubt es Wissenschaftlern, die Strömungsgeschwindigkeit in verschiedenen Tiefen gleichzeitig innerhalb desselben Vertikalprofils zu berechnen. Parallel zur beschriebenen Akustik untersucht die Ozeanoptik die Ausbreitung des Sonnenlichts im Ozean. Diese Ausbreitung bestimmt, wie viel Energie in der sonnenbeschienenen Zone des Meeres für die Photosynthese zur Verfügung steht. Licht wird gemäß dem Lambert-Beer-Gesetz mit zunehmender Tiefe exponentiell gedämpft. Die Konzentration von Chlorophyll, gelösten organischen Stoffen und Partikeln im Wasser bestimmt, wie schnell diese Dämpfung erfolgt. Genau diese optische Zusammensetzung des Wassers ermöglicht es, anhand der von Satelliten beobachteten Ozeanfarbe die Chlorophyllkonzentration und damit die Primärproduktion des gesamten Meeres abzuschätzen.

So lassen sich – von der Schallgeschwindigkeit am Anfang dieses Dokuments bis zur Ozeanfarbe am Ende, durch den Tiefenschallkanal, akustische Tomographie und Doppler-Strömungsmessungen, Ozeanakustik und -optik – letztendlich die Temperatur, die Strömungen und die biologische Produktivität des Ozeans selbst offenbaren, indem man die Art und Weise untersucht, wie er Schall und Licht durchdringt.

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