• or ‘How we map, part II’

Have you ever tried to focus your camera on a point at the horizon out of a car driving across bumpy streets?

That is basically what the multibeam echosounder system on the Kilo Moana, has to deal with. In order to get a continuous and clear image of the seafloor, the system has to constantly compensate for the ship’s movements. Wind and waves can lift the entire ship (so-called ‘heave’), bring up the bow or the stern (pitch), tilt it sideways (roll), and/or change the heading (yaw). Motion sensors and several GPS receivers monitor the ship’s movements and send their information in nearly real-time to the electrical control unit of the multibeam echosounder. Based on this data, the control unit operates the transmit-, and receive units in the port hull of the ship to emit sound as vertically downward and horizontally straight as possible, and to adjust the direction in which the receivers ‘listen’.

To optimise this real-time processing between the motion sensors, the controller, transmitter and receiver units, the system is calibrated before every big mapping campaign. At the beginning of our cruise, we mapped flat seafloor, as well as a submarine seamount, in different ship tracks, and at different cruise speeds. Comparing the different passes over the seafloor allowed us to check the various offsets between different parts of the mapping system, and make sure that the were in alignment.

This interactive webpage illustrates the variability of ocean waters. Giant, global circulation systems and currents mix the oceans. The different water masses have characteristic salinity and temperatures, and thus the sound speed changes with location and time. A sensor in the hull of the ship continuously measures the sound speed, which is needed for corrections near the sonar. This is not sufficient for large mapping campaigns in deep waters, like our mapping activity, however, since the speed of sound also changes as a function of depth. The acoustic signal travels on average through 10 km of water, and bends (refracts) as it does so in response to changes in the speed of sound at different depths. So in addition to monitoring of the surface sound speed, we need to know how the sound speed changes between the ship and the seafloor.

This can be done with a CTD-cast (‘Conductivity Temperature Depth’), where a sensor is lowered to depth using the ship’s winch system, and the measurements of salinity (estimated from conductivity), temperature, and depth (estimated from pressure) are used to compute the sound speed. This takes a lot of time, however, so we are using an approximate method that can be done at full cruise speed, where we launch from the back deck of the ship an XBT-probe (‘eXpandable Bathy Thermograph’) that measures the temperature to 760 m water depth. Using the temperature measurement, and an estimate of salinity from the World Ocean Atlas, we can estimate the sound speed. For better accuracy (at higher expense!), we can use an XCTD which measures conductivity in addtion to temperature, to 1100 m depth. After the measurement, whatever the instrument, the estimated sound speed profile is transmitted to the sonar so that corrections to depth can be done.

(Many thanks to our chief scientist, who was so kind to review this article.)

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• oder “Wie wird kartiert, Teil II”

Schonmal versucht aus einem über eine Huckelpiste fahrenden Auto mit einem Fotoaparat einen Punkt am Horizont zu fokussieren?

So oder so ähnlich ergeht es dem Fächerecholot unter dem Bug der Kilo Moana. Um ein gleichmäßiges, klares Abbild vom Meeresboden machen zu können, muss das System die Schiffsbewegungen kontinuierlich ausgleichen. Wind und Wellen können das Schiff anheben (engl. ‘heave’), es nach vorne oder hinten kippen (‘pitch’), eine seitliche Rollbewegung verursachen (‘roll’) und/oder den Bug bzw. das Heck seitlich verschieben (‘yaw’). Die Schiffsbewegungen werden von mehreren GPS-Empfängern und Bewegungssensoren aufgenommen und direkt an die elektronische Steuereinheit des Fächerecholots weiter geleitet. Basierend auf diesen Informationen, berechnet das System in Echtzeit die Steuerung der Transmitter- bzw. Empfängereinheiten im Rumpf des Schiffes. So wird gewährleistet, dass das akustische Signal möglichst vertikal nach unten und horizontal gerade ausgesendet wird, sowie die Empfänger in die entsprechende Richtung „hören“.

Um dieses Zusammenspiel zwischen den Sensoren, der Steuereinheit sowie den Transmitter- und Empfängereinheiten zu optimieren, wird das System vor jeder großen Kartierkampagne kalibriert. Zu Beginn unserer Ausfahrt haben wir dafür flachen Meeresboden, sowie einen unterseeischen Berg mehrmals, in verschiedenen Richtungen und in verschiedenen Geschwindigkeiten überfahren und kartiert. Durch das Vergleichen der unterschiedlichen Durchgänge bzw. Überfahrten können wir prüfen, ob es einen Versatz zwischen verschiedenen Systemeinheiten gibt und sicherstellen, dass alles aufeinander abgestimmt ist.

Wie auf dieser Internetseite sehr anschaulich und interaktiv dargestellt, ist Ozean nicht gleich Ozean. Riesige, globale Zirkulationssysteme und Strömungen wälzen die Wassermassen in den großen Ozeanbecken um. Dabei zeichnen sich bestimmte Wassermassen durch charakteristische Salzgehalte und Temperaturen aus, was bedeutet, dass die Schallgeschwindigkeit Wasser abhängig ist von (Jahres-)Zeit und Ort. Ein Sensor im Rumpf des Schiffes misst daher ständig die Schallgeschwindigkeit, damit das System für den Sonar-nahen Bereich entsprechend korrigieren kann. Doch speziell für großflächige Kartierungen in tiefen Gewässern, wie der unsriegen, ist das allein nicht ausreichend, denn die Schallgeschwindigkeit ändert sich auch mit der Wassertiefe. Ein akustisches Signal ist im Schnitt über 10 km unterwegs und bricht (refraktiert) durch Änderungen der Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Tiefen. Deshalb müssen zusätzlich zur Schallgeschwindigkeit im Oberflächengewässer, auch Veränderungen der Schallgeschwindigkeit zwischen dem Schiff und dem Meeresboden gemessen werden.

Mit einer sogenannten CTD-Sonde (vom engl. ‘Conductivity Temperature Depth’), die per Winde vom Schiff herabgelassen wird, können die Salinität (abgeleitet von der Leitfähigkeit), die Temperatur und die Tiefe (abgeleitet vom Druck) gemessen werden, woraus dann die Schallgeschwindigkeiten berechnet werden. Neben dieser sehr zeitintensiven Messung, gibt es aber auch alternative, annähernde Methoden, die in voller Fahrt vom kartierenden Schiff aus gemacht werden können. So genannte XBT-Sonden (vom engl. ‘eXpandable Bathy Thermograph’) messen die Temperatur bis in 760 m, die mit Salzgehalten aus dem World Ocean Atlas ergänzt werden, um die Schallgeschwindigkeiten berechnen zu können. Um eine bessere Genauigkeit zu erzielen (bei gleichzeitig höheren Kosten!), werden sogenannte XCTDs eingesetzt, die bis in 1100 m Tiefe neben der Temperatur auch die Leitfähigkeit messen.

Unabhängig von der Sonde werden die Berechnungen anschließend in das System eingepflegt, um Korrekturen in der Tiefenberechnung zu ermöglichen.

Dave launches an XBT-probe during our evening shift from the back deck at full cruise speed. / Bei voller Fahrt legt Dave während unserer Abendschicht eine XBT-Sonde aus. (Photo by Meike)