Wer ist eigentlich Eddy?/Who actually is Eddy?

(English version below) Das war eine häufige Frage an Bord zu Beginn unserer Forschungsfahrt. Denn das „Eddy“ Teil unserer wissenschaftlichen Untersuchungen wird, ergab sich relativ kurzfristig.

Eddies sind temporäre Wasserwirbel mit einem Durchmesser von mehreren hundert Kilometern, die lange Strecken durch den offenen Ozean zurücklegen können, bevor sie sich irgendwann auflösen. Sie können von der Meeresoberfläche bis hinunter zum Meeresboden reichen, doch noch ist wenig bekannt über ihre Eigenschaften und Auswirkungen in der Tiefsee. Und wir sind gerade zur richtigen Zeit am richtigen Ort, um einen solchen Eddy in unserem Arbeitsgebiet zu untersuchen.

Eddies kann man als ozeanische Äquivalente atmosphärischer Stürme bezeichnen, und sie werden in Satelliten-Höhenkarten der Meeresoberfläche deutlich. Sie sind ein wichtiges ozeanographisches Phänomen, denn sie dienen als Transportmittel für Wärme, Nährstoffe, organischen Kohlenstoff und Sauerstoff durch den offenen Ozean und bilden lokale biogeochemische Milieus. Die Ausrichtung ihrer Rotation wird durch die Corioliskraft erzeugt und – auf der Nordhalbkugel – drehen sich die meisten Wirbel im Uhrzeigersinn (man sagt auch “antizyklonisch”). Diese Wirbel lenken die Strömung effektiv in Richtung ihres Zentrums und erzeugen eine Ausbeulung der Meeresoberfläche, die als positive Anomalie in Satellitenbildern von mehreren Dezimetern Höhe erkennbar wird. So haben wir auch „unseren“ Eddy gefunden und können seine Reise verfolgen (Abbildung 1). Im Pazifik bilden sich große Eddies vor der Küste Mittel- und Südamerikas und bewegen sich meist mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 15 km pro Tag entlang der nordamerikanischen Küste in Richtung Nordwesten. Während sie in diesem Teil des Pazifischen Ozeans ein recht häufiges Phänomen sind, lösen sich nur wenige vom Hauptweg ab und machen sich auf in Richtung offener Ozean, Richtung Westen. Und nur ganz wenige erreichen nach Tausenden von Kilometern unser Arbeitsgebiet im deutschen Lizenzgebiet in der Clarion-Clipperton Zone (CCZ). “Unser” Eddy dreht sich mit einer Geschwindigkeit von ca. 25 km/Tag und sein Zentrum bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von ca. 15 km/Tag direkt nach Westen (Abbildung 1). Während man Eddies an der Meeresoberfläche gut beobachten kann, ist nicht viel darüber bekannt, wie sich Eddies in der Tiefe der Ozeane entwickeln und welche Auswirkungen sie durch erhöhte Strömungsgeschwindigkeiten am sonst ruhigen, ernergiearmen Meeresboden erzeugen können.

Karte der Meeresspiegelanomalien (sla), erstellt aus Satellitendaten (NOAA) für den 1. April. Wirbel werden in solchen Karten wie kreisförmigen Mustern sichtbar. Lila Punkte zeigen den Mittelpunkt unseres Eddy, der auf das ostdeutsche Lizenzgebiet zusteuert (L-förmige Box).
Abbildung von Timm Schoening/GEOMAR

Unser Eddy gibt uns die seltene Gelegenheit, seine natürlichen Eigenschaften in der Tiefsee zu vermessen und gleichzeitig seine Auswirkung auf eine kleinräumige Tiefseebergbau-Simulation ca. 4 Wochen nach der Sedimentaufwirbelung zu beobachten. Hier wurde durch das Schleppen einer kastenförmigen Vorrichtung („Dredge“) über den Meeresboden eine Sedimentwolke erzeugt. Während an der Meeresoberfläche die äußeren Teile des Eddies bereits unser Arbeitsgebiet erreicht haben, erwarten wir Anfang Mai das Eddy-Zentrum am Meeresboden. Wird es zu einer Remobilisierung der frisch aus der Sedimentwolke abgesetzten Partikel kommen? Was passiert mit den natürlichen Oberflächensedimenten – werden sie auch mobilisiert?

Die Bildung großer Sedimentpartikelwolken in der bodennahen Wasserschicht infolge von Abbauaktivitäten am Meeresgrund stellt eines der größten Probleme beim Meeresbergbau dar. Diese Wolken verlagern die Umweltauswirkungen von der eigentlichen Abbaustätte, potenziell etliche zehn Kilometer weit. Es kommt zu Absetzraten von bis zu mehreren Zentimetern pro Tag im Vergleich zu nur wenigen Millimetern pro tausend Jahre im Normalzustand. Umweltauswirkungen auf die benthische Fauna sind durch die Sedimentbedeckung von Organismen, die Verstopfung von Nahrungsaufnahme-Organen, Veränderungen in der Nährstoffversorgung und toxische Auswirkungen von potenziell freigesetzten Metallen zu erwarten.

Der Grund, warum wir so daran interessiert sind, einen Eddy im Rahmen unserer Basisstudien im Detail zu untersuchen, ist das Potenzial von Eddies, die anthropogen erzeugten Sedimentlagen wieder zu mobilisieren und weiter zu verteilen. Experimentelle Ergebnisse haben gezeigt, dass frisch abgesetzte Bergbaufahnen leichter in die darüberliegende Wassersäule re-mobilisiert werden können als “normal” abgesetzte Sedimente. Zwar ist die Sediment-Resuspension ein natürlicher Prozess, der mit erhöhten Bodenströmungen zusammenhängt und zur Bildung trüber Partikelschichten in Meeresbodennähe führt. Für natürlich abgelagerte Tiefseesedimente liegt die Schwelle zur Wiederaufwirbelung im Bereich von 10-15 cm/s. Solche Anstiege der Strömungsgeschwindigkeiten können durch so genannte benthische Stürme erzeugt werden, die zum Beispiel im westlichen Nordatlantik unter dem mäandrierenden Golfstrom weit verbreitet sind und typischerweise 20 cm/s überschreiten. Im Pazifik gibt es solche starken Stürme in der Regel nicht. Die Bodenströmungen im nordöstlichen tropischen Pazifik sind überwiegend schwach. Bei Eddy-Passagen können sie aber deutlich zunehmen, überschreiten vermutlich aber nicht die Schwelle zur Wieder-Aufwirbelung der natürlichen Tiefsee-Sedimente. In-situ-Messungen der Bodenströmungen im deutschen Lizenzgebiet in der Nähe des Meeresbodens haben gezeigt, dass jedes Jahr ein bis zwei Eddies dieses Gebiet passieren – während dieser Zeit intensivieren sich die Bodenströme über einen Zeitraum von mehreren Wochen und erreichen Geschwindigkeiten, die 3-4 mal höher sind als normalerweise (durchschnittlich 8 cm/s). Solche Geschwindigkeiten können allerdings ausreichen, um anthropogen erzeugte Partikelschichten wieder aufzuwirbeln.

Einmal aufgewirbelt, können die Partikel auch bei deutlich niedrigeren Strömungsgeschwindigkeiten in der Wassersäule gehalten und breit verteilt werden. Deshalb würde die erneute Aufwirbelung der anthropogen erzeugten Partikelschichten und ein weitreichender Transport über Dutzende von Kilometern die vom Meeresbergbau betroffene Fläche weiter vergrößern, mit Folgen für benthische Faunengemeinschaften. Daher ist die Untersuchung und Vorhersage des Fußabdrucks von Eddies auf dem Meeresboden in Gebieten mit potenzieller Bergbauaktivität von wesentlicher Bedeutung.

Um die Passage unseres Eddies durch das Arbeitsgebiet zu erfassen, haben wir am Meeresboden Plattformen mit Sensoren verankert, die am Ende unserer Forschungsfahrt wieder geborgen werden. Für die Erfassung der großräumigen Eigenschaften des Eddies in Bezug auf aktuelle Geschwindigkeiten und Trübung wurden fünf Verankerungen über das gesamte deutsche Lizenzgebiet verteilt. Um den kleinen Sedimentplume-Simulationsstandort herum haben wir auf einer Fläche von ca. 6 Fußballfeldern eine hochauflösende Sensoranordnung angeordnet. Diese Geräte (Abbildung 2) sollen zum einen die direkt mechanisch erzeugte Partikelfahne aufzeichnen, sowie die mögliche Wiederaufwirbelung der frisch gebildeten Sedimentlagen durch die Eddy-Aktivität einige Wochen später.

Zwei der vierzehn Sensorplattformen, die wir von ROV in einer Sensoranordnung eingesetzt haben. Links: ein hochauflösender Trübungssensor. Rechts: ein Sensor zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten von bis zu 50m über dem Meeresboden.
Foto: ROV KIEL 6000

Von Dr. Timm Schoening, GEOMAR und Dr. Katja Schmidt, BGR

Who actually is Eddy?

That was one of the big questions at the beginning of our cruise. Because it turned out on relatively short notice, that “Eddy” will become part of our research program.

Eddies are temporary loops of swirling water of several hundred kilometres in diameter that can travel long distances through the open ocean before dissipating. And we are here – just in time – to catch an Eddy passing through our working area and to characterize its impact at the seafloor.

Eddies are the oceanic analogues of atmospheric storms and become obvious in satellite altimeter maps displaying sea level heights. The orientation of their rotation is induced by the Coriolis force and – on the Northern hemisphere – most Eddies rotate clock-wise (or “anti-cyclonic”). These Eddies effectively direct currents towards their centre, creating a bulge of seawater which can be seen as a positive sea-surface anomaly in satellite imagery of several decimetres in height. This is how we also found our Eddy and how we can trace its journey (Figure 1). In the Pacific, Eddies form off the coast of Central and South America and usually move towards the North-West along the coast of North America with an average velocity of 15 km per day. While they are a rather common phenomenon in this part of the Pacific Ocean, only a few detach from the main Eddy path and head out West towards the open ocean. And only a few arrive within our working area in the Eastern German license area of the Clarion-Clipperton Zone (CCZ) – after travelling thousands of kilometres westward. “Our” Eddy rotates at a speed of ca. 25 km/day and its centre moves directly westwards at a speed of ca. 15 km/day (Figure 1). Eddies are highly dynamic and difficult to capture, and hence not much is known on how they evolve in 3D space. They can reach down through the entire water column inducing impacts at the seafloor over thousands of square kilometres in this usually quiet, low-energy environment.

Eddies are an important oceanographic phenomenon as they serve as transporters of heat, nutrients, organic carbon and oxygen through the open ocean and form local biogeochemical environments. They can take the shape of warm-core (masses of warm water turning in colder ocean waters) or cold-core (masses of cold water in warm) eddies.

Map of sea level anomalies (sla), created from satellite data (NOAA) for April 1st. Eddies become apparent in such maps as circular patterns. Purple dots show the centre point of our Eddy that is heading towards the eastern German license area (L-shaped box).
Picture: Timm Schoening/GEOMAR

This Eddy gives us the rare chance to monitor and sample the natural characteristics of an Eddy while simultaneously observing its effect on a small-scale mining simulation.

While the outer parts of the surface Eddy already reached our working area, we expect the Eddy centre at the seafloor beginning of May. This gives us the opportunity to record the characteristics of the Eddy passage in the bottom water and its effects on the surface sediments about 3-4 weeks after our sediment suspension experiment. Will we see a re-mobilization of the freshly settled plume sediment? What happens with the natural surface sediments – is it mobilized as well?

Mining activities at the seafloor with a collector vehicle would form large sediment particle clouds in the bottom water layer, which is one of the major concerns regarding marine mining. These clouds transfer the environmental impact away from the actual mining site, potentially tens of kilometres. Settling rates of up to several centimetres per day compared to only a few mm per thousand years as normal condition in this area. Main environmental effects on the benthic fauna related to the distribution and settling of this sediment plume can be expected from the blanketing of organisms, clogging of respiratory organs, changes in nutrient supply and toxic effects of potentially released metals.

The reason why we are so interested to study an Eddy in detail in the framework of our baseline studies is the potential of Eddies to mobilize the artificially deposited surface sediment. Generally, sediment resuspension is a natural process related to increased bottom currents and starts as soon as velocities are fast enough to overcome the threshold to resuspend sediment grains. For naturally deposited deep-sea sediment this is in the range of 10-15 cm/s. Such currents can be generated by so-called benthic storms, which are quite common in the Western North Atlantic beneath the meandering Gulf Stream and typically exceed 20 cm/s, thereby generating cloudy particle layers near the seafloor. In the Pacific, they are usually absent. The bottom currents in the north-eastern tropical Pacific are predominantly weak but can significantly increase during eddy passages. In-situ measurements of current speeds in the German licence area close to the seafloor have shown that one to two full water depth Eddies pass this area every year. During these times, bottom currents intensify over a period of several weeks, reaching velocities 3-4 fold higher compared to non-Eddy times (in the range of 8 cm/s on average). Experimental results have shown that freshly settled mining plume sediment can be more easily re-mobilized into the overlying water column than “normally” deposited sediment, starting already at 4-5 cm/s. Once resuspended, particles can be kept in the water column at velocities much lower than that required to erode the seafloor, which gives it enough time to widely distribute the particle cloud. Such resuspension of mining-generated particle layers and large-scale transport over tens of kilometres would further increase the area impacted by mining activities, with consequences for benthic faunal communities. Hence, the investigation and prediction of the footprint of surface eddies on the seafloor in areas of potential mining activity is essential.

To record the passage of our Eddy through our working area and capture its characteristics, we deployed ocean bottom sensor platforms and oceanographic moorings at distances between 0.3 m and 50 m above the seafloor, which will be recovered at the end of our cruise. Five moorings were spread over the German license area to cover the natural, large-scale characteristics of Eddy in terms of current velocities and turbidity. Around a small-scale plume simulation site we arranged a high-resolution sensor array across an area of ca. 6 football fields. The sensors (Figure 2) were spread out to record immediate effects by the particle plume we generated by towing a box-like device (Dredge) over the seafloor, as well as the expected, re-suspended sediment plumes of this disturbance created by Eddy activity.

Two of the fourteen sensor platforms that we developed by ROV in a sensor array. Left: resolution turbidity sensor. Right: a sensor to measure current velocities up to 50m above the seafloor.
Foto: ROV KIEL 6000

by Dr. Timm Schoening, GEOMAR and Dr. Katja Schmidt, BGR

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