it ain’t the sound of silence

Wie gewöhnlich: für eine deutschte Übersetzung weit nach unten scrollen

Hydroacoustics is an extremely important part of marine science. That’s why at least one person sits in the hydroacoustics laboratory every day of measurement. With its screen-plastered walls, the laboratory reminds a little bit of a spy center. It allows us to make sure that the equipment is running smoothly and that data is collected continuously.

Florian Petersen during cruise SO277 (Foto: Thore Sager)

We had a chat with Florian Petersen to gain an overview of what we are actually looking at, but first things first;
Florian, tell us, how do you spend your working hours?
I have been working as a doctoral student at the GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research in Kiel for 2 years now and I am engaged in measuring deformation and movement on the seafloor. For this I combine seismology and marine geodesy. My main field of work is the subduction zone in northern Chile, which has been seismically very active in recent years and still raises many questions. GEOMAR, together with the Earthquake Service of Chile, has carried out many measurements at sea in the last years to get a better understanding of the subduction zone and the earthquake hazards. I myself started as a student at GEOMAR seven years ago and gained a lot of experience on seagoing expeditions.

Which hydroacoustic instruments do we use on this cruise and for what purpose?
The RV SONNE has a number of different hydroacoustic systems, all of which perform different tasks:
1.)          Multibeam echo sounders:
We use two different multibeam echo sounders, which have different frequencies. The EM122 is for mapping the deep sea and covers large areas. The EM710 offers a much higher resolution in shallower waters because it emits at a much higher acoustic frequency. The water depths off Malta are much shallower than1000 m, so we currently only use the EM710. However, earlier offshore Sicily, we used both systems. The flank of Mount Etna is very steep and therefore the water depth changes drastically over short distance. At the top of the slope there are possibly geological faults and further seawards we used the deep sea echo sounder to improve existing maps.
2.)          Parasound:
Here on board we have a sediment echo sounder, which allows us to look into the seafloor. This is important and useful information if we want to take sediment cores from the seafloor or if we are using electromagnetics. Furthermore, the information about the acoustic reflectivity of the seafloor helps us to interpret seismic data.
3.)          EK60 & ADCP
Possible groundwater seepage at the seafloor is closely related to rising gas bubbles in the water column. The EK60 hydroacoustic systems and the ADCP also map the water column very well and thus help us to detect rising gas bubbles and ocean currents in the water. This data is important for us to plan further measurements like CTD and AUV dives.
4.)          USBL Positioning System
Another absolutely essential acoustic system that we use on almost all instruments is an underwater positioning system. Since GPS does not work underwater, we can use the travel times of acoustic signals to calculate ranges and thus position instruments precisely on the seafloor.

Water coloumn image with seafloor visible in red (provided by Morelia Urlaub)

Here off Malta we mainly use the multibeam and the parasound, a sediment echo sounder. What are the differences between these instruments?
Both systems are often used in combination, since the multibeam provides information about the depth of the seafloor and the parasound about the uppermost seafloor sediment layers.  For both systems the acoustic frequencies are crucial. The parasound uses lower frequencies which can penetrate further into the seafloor. The Multibeam uses higher frequencies which give a good resolution and with which we can cover a larger area of the seafloor at once.

What kind of data is exactly recorded and how is it processed to create an image?
The multibeam continuously records the sea depths under the ship, in a swath about seven times as wide as the water is deep. This data is then processed into a 3D model of the seabed, which will form another part of the geological interpretation. The worlds seafloor is still largely unexplored and unknown, so these data are important. Also, the newly created maps of known areas are becoming more and more accurate due to technological advances.

What do we have to pay attention to during our measurements?
It is important that we check the data carefully to avoid misinterpreting possible artifacts caused by system errors or reflections in the water column. It is also important to pay attention to the expected depths and slopes in order to choose the right system. A good example is the slope of Mount Etna. It is so steep that we cannot use parasound there. The signal is deflected to such an extent that we hardly get any information about the composition of the seabed. The sediments lying on the seafloor are also an important factor that influences our measurements. Volcanic ash or lava have very high acoustic velocities, much higher than the 1500 m/s typical for seawater. This high difference prevents the further penetration of acoustic signals and we do not receive any information.

fuming Mount Etna during sunset hours (Foto: Jonas Liebsch)

Topic “treasure hunt”: What did you find so exciting in your previous measurements?
Recording seabed topography can be very exciting. Most of the information about the seafloor is obtained by satellite measurements, which can only show large structures like mountains or tectonic plate boundaries on the seafloor. Often, we have had to remove mountains in the deep sea from satellite-derived maps, because they do not even exist. Or the other way around; we have already discovered many underwater volcanoes that were completely unknown. Here off Malta, with shallow waters, we can also discover shipwrecks. But in any case, it is always exciting to see what the seafloor looks like, because we are often the first to see it!

We would like to thank Florian very much for taking the time for us and we will continue to keep our eyes on the sea floor!
Further information about the research Florian is involved in can be found at: https://www.geomar.de/en/flpetersen

Current Position: 36° 02,364′ N 014°21,406′ E
Authors and photography: Johanna Klein, Thore Sager, Helene Hilbert and Anina-Kaja Hinz


Hydroakustik ist ein extrem wichtiger Bestandteil der Meereswissenschaften. Daher sitzt auch an allen Messtagen mindestens eine Person im Hydroakustiklabor, das mit seinen unzähligen Bildschirmen ein bisschen was von einem Geheimdienstzentrum hat, um sicher zu gehen, dass die Geräte gut laufen und kontinuierlich Daten gesammelt werden. Wir haben uns mit Florian Petersen unterhalten, um euch einen Überblick zu geben, was wir auf diesen ganzen Bildschirmen denn eigentlich betrachten.

Florian Petersen und Lea Rhode bei der Vorbereitung der Geodäsiestationen
(Foto: Thore Sager)

Florian, verrate uns doch erst mal, womit vertreibst du dir grundsätzlich so die Arbeitszeit?
Ich bin seit 2 Jahren Doktorrand am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel und beschäftige mich mit der Messung von Deformation und Bewegung am Meeresboden. Dazu verbinde ich Seismologie und Marine Geodäsie. Mein Hauptarbeitsgebiet ist die Subduktionszone in Nord Chile, die in den letzten Jahren seismisch sehr aktiv war und noch immer viele Fragen aufwirft. Das GEOMAR hat, zusammen mit dem Erdbebendienst von Chile, in den letzten Jahren viele Messungen auf See durchgeführt, um ein besseres Verständnis für die Subduktionszone und die Erdbebengefahren zu bekommen. Ich selbst habe vor sieben Jahren als Student am GEOMAR angefangen und viel Erfahrung auf Schiffexpeditionen gesammelt.

Welche hydroakustischen Instrumente nutzen wir wofür auf dieser Fahrt?
Die FS SONNE verfügt über eine Reihe verschiedener hydroakustischen Systeme, die alle unterschiedliche Aufgaben erfüllen:

  1. Fächerecholote:
    Wir nutzen zwei verschiedene Fächerecholote, die durch ihre verschiedenen Frequenzen unterschiedliche Aufgaben erfüllen. Das EM122 ist zur Kartierung der Tiefsee und kann große Flächen abdecken. Das EM710 bietet in geringer Wassertiefe eine deutlich höhere Auflösung, da es eine wesentlich höhere akustische Frequenz aussendet. Die Wassertiefen vor Malta sind deutlich unter 1000 m, daher ist hier nur das EM710 aktiv. Vor Sizilien haben wir allerdings beide verwendet, da die Flanke des Ätnas sehr steil ist und sich damit die Wassertiefe auf kurzer Strecke drastisch ändert. Hangaufwärts sind dabei mögliche geologische Störungen zu finden, und weiter seewärts haben wir das Tiefseeecholot eingesetzt, um vorhandene Karten zu verbessern.
  2. Parasound:
    Hier an Bord verfügen wir über ein Sedimentecholot, das es uns ermöglicht, ein paar Meter in den Meeresboden hineinzuschauen. Diese Informationen sind wichtig, wenn wir Sedimentkerne vom Meeresboden nehmen wollen oder wenn wir Elektromagnetik fahren. Außerdem helfen uns die Information über die akustische Reflektivität des Meeresbodens seismische Daten zu interpretieren.
  3. EK60 & ADCP
    Mögliche Grundwasseraustritte am Meeresboden sind eng verbunden mit aufsteigenden Gasblasen in der Wassersäule. Die hydroakustischen Systeme EK60 und das ADCP bilden auch die Wassersäule sehr gut ab und helfen uns so, aufsteigende Gasblasen und Meeresströmungen im Wasser aufzuspüren. Diese Daten sind wichtig, damit wir dann weiterführende Messungen, wie CTD und AUV Tauchgänge, planen können.
  4. USBL Positionierungssystem
    Ein weiteres, absolut essenzielles akustisches System, das wir an fast allen Instrumenten verwenden, ist ein Unterwasser Positionierungssystem. Da GPS unter Wasser nicht funktioniert, nutzen wir die Laufzeiten und Phasenverschiebungen von akustischen Signalen, um Instrumente präzise am Meeresboden zu positionieren.
So hübsch können manipulierte Daten sein: unser surrealer Schmetterling
(provided by Morelia Urlaub)

Hier vor Malta nutzen wir vor allem das Fächer- und das Sedimentecholot, bzw. Multibeam und Parasound. Wo liegen die Unterschiede zwischen den Geräten?
Beide Systeme werden oft zusammen verwendet, da das Multibeam Informationen über die Tiefe des Meeresbodens liefert und das Parasound über die obersten Sedimentschichten darunter. Entscheidend sind die akustischen Frequenzen der beiden Systeme. Das Parasound nutzt tiefere Frequenzen als das Multibeam, die weiter in den Meeresboden eindringen können. Dafür können wir mit dem Multibeam einen größeren Bereich am Meeresboden abdecken.

Was für Daten werden genau aufgezeichnet und wie werden diese dann weiter verarbeitet, um ein Bild zu erzeugen?
Das Multibeam zeichnet kontinuierlich die Meerestiefen unter dem Schiff auf, in einem Streifen der etwa sieben Mal so breit ist wie das Wasser tief. Diese Daten werden dann zu einem 3D Modell des Meeresbodens verarbeitet, das einen weiteren Teil der geologischen Interpretation ausmachen wird. Der Meeresboden auf der Erde ist noch immer zu einem großen Teil unerforscht und unbekannt, daher sind diese Daten wichtig. Auch werden die neu erstellten Karten über bekannte Gebiete durch technologischen Fortschritt immer genauer.

Worauf muss bei unseren Messungen geachtet werden?
Wichtig ist, dass wir die Daten genau prüfen um mögliche Artefakte, die durch System Fehler oder Reflexionen in der Wassersäule entstehen, nicht falsch zu interpretieren. Auch muss darauf geachtet werden, welche Meerestiefen und Hangneigungen erwartet werden, um das richtige System zu verwenden. Als gutes Beispiel dient der Hang des Ätna Vulkans. Die Flanke ist so steil, dass wir dort kein Parasound nutzen können. Das im Meeresboden reflektierte Signal wird dermaßen abgelenkt, dass wir kaum Informationen über die Beschaffenheit bekommen. Die am Meeresboden liegenden Sedimente sind auch ein wichtiger Faktor, der unsere Messungen beeinflusst. Vulkanische Asche oder Lava haben sehr hohe akustische Geschwindigkeiten, viel höher als die für Meerwasser typischen 1500 m/s. Dieser große Unterschied verhindert das weitere Eindringen von akustischen Signalen und wir erhalten keine Informationen.

Thema „Schatzsuche“: Was hast du in deinen bisherigen Messungen so Spannendes gefunden?
Das Aufzeichnen von Meeresbodentopographie kann sehr spannend sein. Die meisten Informationen über den Meeresboden haben wir durch Satellitenmessungen, die nur große Strukturen wie Gebirge oder Erdplattengrenzen am Meeresboden darstellen können. Oft haben wir schon Berge in der Tiefsee, die auf Karten eingezeichnet sind, von der Karte streichen müssen, da sie gar nicht existieren. Oder genau anderes herum; wir haben bereits viele bis dahin unbekannte Unterwasservulkane entdeckt. Hier vor Malta, mit niedriger Wassertiefe, können wir auch Schiffswrack entdecken. Aber es ist grundsätzlich immer spannend zusehen wie der Meeresboden eigentlich aussieht, denn oft sind wir die ersten die ihn zu Gesicht bekommen!

Wir bedanken uns recht herzlich bei Florian, dass er sich Zeit für uns genommen hat und werden die Augen weiterhin auf den Meeresboden gerichtet lassen!
Weitere Informationen über die Forschung an der Florian beteiligt ist, findet ihr unter: https://www.geomar.de/en/flpetersen

Gegenwärtige Position: 36° 02,364′ N 014°21,406′ E
Text und Fotografie: Johanna Klein, Thore Sager, Helene Hilbert and Anina-Kaja Hinz

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