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Dear Friends of Geo- and Marine Sciences,
here you have the distinctive pleasure to read Dr. Mark Schmidt explaining the basics of water column analysis.
Let’s get to know him and his background first:
My name is Mark Schmidt and I am a geochemist in the research unit “Marine Geosystems” at the GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel. I have a PhD in physical chemistry and ended up in marine research by chance. But I am glad that, after completing my work on ozone depletion in the stratosphere, I am now able to continue my worldwide research on the mass transport on the seafloor and in the water column. Unfortunately, even after more than 50 participations in research voyages I am still getting seasick. But I happily accept this, for the experience I gain at sea.
On the OMAX cruise I am the senior geochemist and responsible for sampling the water column.
What exactly is a CTD (Conductivity Temperature Depth) measurement? What is measured in the water column?
When using a CTD probe, usually the conductivity and temperature are determined as a function of the water depth. From this, the density profile and sound velocity profiles in the water body can be determined on site. The speed of sound is important for the exact depth determination when using echo sounders. In the surface water off Malta, the speed of sound is currently 1544 m/s, in deeper water at 150 m it is only 1514 m/s. For a measured reflection from the sea floor this means a difference of about 3 m in depth determination. On this cruise, special attention is also paid to the investigation of chemical anomalies in the bottom water, which may indicate groundwater seeps.
How exactly is this measurement conducted?
The water sampler with the integrated video-CTD is connected to a cable and is lowered into the water by a winch. When the seafloor comes into sight, usually at about 2 m above ground level, the RV Sonne drags the device along a pre-planned route of approximately 4-5 km at a speed of roughly one knot. It gets really exciting when we approach steep underwater slopes or are in an environment with unusual ground conditions like volcanic rocks, carbonate plates or, like we have here in a coastal area, the numerous schools of fish that are attracted by the light source.
Why do we, on a geoscientific journey, have to measure the ocean column? Are we also looking for something specific?
Ultimately, we are trying to develop a kind of exploration tool that can be used to find and characterize submarine freshwater reservoirs. Our video-CTD missions are another complementary tool to seismic and electromagnetic measurements. Undersea fresh water, which is stored in the deeper subsurface, can rise e.g. at fault zones in sedimentary rocks and escape at the seafloor. These rising waters, which often carry dissolved gases and other tracers upwards, can be measured with our sensors on the video-CTD. Even the smallest changes in concentration compared to the surrounding seawater can give us clues about a deeper-lying body of fresh water. Our current version of the Video-CTD is equipped with additional sensors for methane, CO2, pH, nitrate, oxygen and turbidity measurement. Water samples from these outlets are taken to determine the radon activity on board and to perform further main and trace element analyses later on land.
What difficulties can occur during these measurements? What would be unusual for us?
In marine research I learned that you should always have a plan B and C. We often operate with self-developed equipment that is full of the latest electronics and hardware. These are then integrated into high pressure resistant housings with cable passages and sensors that pass through housing covers. These are possible weak points where leakage can occur. Or cable breaks, electrical contact problems, which can lead to sensor failures. The Video-CTD has been in use for 10 years now and has never had an incident. Knock on our wooden deck.
Due to corona, the geochemical team has been reduced to three scientists. This certainly has an impact on the capacity of the measurements – to what extent did the prioritization of the measurements have to be changed and where has the focus shifted to?
Yes, we came on board with 3 colleagues instead of 6. We are trying to fulfill the originally planned work program, which also includes gravity sounding and sediment core sampling, by carrying out analytical procedures later in the GEOMAR laboratories which we would otherwise have carried out immediately on board. Since we can store all samples obtained on board in a refrigerated or deep-frozen state, there should be no loss in data quality.
We’d like to thank Mark very much for his time and would like to point you in the right direction for more information:https://www.geomar.de/mschmidt
Linke, P., Schmidt, M., Rohleder, M., Al-Barakati, A. und Al-Farawati, R. (2015) Novel online digital video and high-speed data broadcasting via standard coaxial cable onboard marine operating vessels Marine – Technology Society Journal, 49 (1) 7-18.
Schmidt, M., Linke, P., Sommer, S., Esser, D. und Cherednichenko, S. (2015) Natural CO2 seeps offshore Panarea – A test site for subsea CO2 leak detection technology Marine Technology Society Journal, 49 (1) 19-30.
Current Position: 36° 07,914′ N 014°30,535′ E
Authors and photography: Johanna Klein, Thore Sager, Helene Hilbert and Anina-Kaja Hinz
Liebe Freunde der Geo- und Meereswissenschaften,
hier habt ihr das besondere Vergnügen euch von Dr. Mark Schmidt die Grundlagen zur Analyse der Wassersäule erklären lassen.
Aber lernen wir ihn und seinen Hintergrund doch zunächst mal kennen:
Mein Name ist Mark Schmidt und ich bin Geochemiker in der Forschungseinheit „Marine Geosysteme“ am GEOMAR Helmholtz Zentrum für Ozeanforschung Kiel. Dass ich, als promovierter Physikalischer Chemiker, in der Meeresforschung gelandet bin, habe ich eher einem Zufall zu verdanken, als dass es geplant war. Aber ich bin froh, dass ich, nach Abschluss meiner Arbeiten zum Ozonabbau in der Stratosphäre, nun meine Forschung zu den Stoffkreisläufen am Meeresboden und in der Wassersäule, in Ozeanen weltweit durchführen kann. Nach über 50 Teilnahmen an Forschungsfahrten bin ich leider immer noch nicht seefest, aber das nehme ich, für die gewonnenen Erfahrungen auf See, gerne in Kauf. Hier an Bord der FS Sonne bin ich als leitender Geochemiker u.a. für die Beprobung der Wassersäule verantwortlich.
Was genau ist denn eine CTD-Messung? Was wird da in der Wassersäule gemessen?
Beim Einsatz einer CTD-Sonde werden i.d.R. die Leitfähigkeit und die Temperatur in Abhängigkeit von der Wassertiefe bestimmt. Hieraus werden zum Beispiel das Dichte- oder das Schallgeschwindigkeitsprofil im Wasserkörper vor Ort bestimmt. Die Schallgeschwindigkeit ist wichtig zur exakten Tiefenbestimmung bei Verwendung von Echoloten. Im Oberflächenwasser vor Malta beträgt die Schallgeschwindigkeit zurzeit 1544 m/s, im tieferen Wasser bei 150 m liegt sie bei nur noch 1514 m/s. Das bedeutet für eine gemessene Reflektion vom Meeresboden schon eine Differenz von ca. 3 m in der Tiefenbestimmung. Auf dieser Ausfahrt liegt außerdem besonderes Augenmerk auf der Erkundung von chemischen Anomalien im bodennahen Wasserkörper, die auf Grundwasseraustritte hindeuten können.
Wie genau wird diese Messung durchgeführt?
Der Kranzwasserschöpfer mit der integrierten Video-CTD ist an ein Einleiterkabel angeschlossen und wird über eine Winde ins Wasser gelassen. Bei Bodensicht, in ca. 2 m über Grund, zieht die FS Sonne dann die Apparatur mit knapp einem Knoten Fahrtgeschwindigkeit entlang einer vorgeplanten Route von ca. 4-5 km. Spannend wird es bei untermeerischen Steilhängen und natürlich bei ungewöhnlicher Bodenbeschaffenheit wie vulkanischem Gestein, Karbonatplatten und hier im Küstenbereich den zahlreichen Fischschwärmen, die die Lichtquellen und die Kamera unserer Video-CTD interessant finden.
Warum müssen wir, auf einer geowissenschaftlichen Fahrt, denn eigentlich die Meeressäule ausmessen? Suchen wir auch nach etwas Bestimmten?
Letztlich versuchen wir eine Art Explorationswerkzeug zu entwickeln, mit dem man untermeerische Frischwasserreservoire finden und charakterisieren kann. Unsere Video-CTD Einsätze sind da nur ein weiteres Werkzeug, neben den seismischen und elektromagnetischen Messungen. Untermeerisches Frischwasser, welches im tieferen Untergrund gespeichert ist, kann z.B. an Störungszonen im Sedimentgestein aufsteigen und am Meeresboden austreten. Diese aufsteigenden Wässer, die oft gelöste Gase und andere Tracer mit nach oben transportieren, können wir mit unseren Sensoren an der Video-CTD messen. Schon kleinste gemessene Konzentrationsänderungen gegenüber dem umgebenden Meerwasser können uns dann Hinweise auf einen tiefer liegenden Frischwasserkörper geben. Unsere aktuelle Version der Video-CTD ist daher bestückt mit zusätzlichen Sensoren zur Methan-, CO2-, pH-, Nitrat-, Sauerstoff- und Trübe-Messung. Wasserproben von diesen Austrittsstellen nehmen wir zusätzlich, um an Bord die Radon-Aktivitätskonzentration zu bestimmen und um später an Land weitere Haupt- und Spurenelementanalysen durchzuführen.
Welche Schwierigkeiten können bei diesen Messungen auftreten? Was wäre für uns etwas Ungewöhnliches?
In der Meeresforschung habe ich gelernt, dass man immer einen Plan B und C haben sollte. Wir operieren oft mit selbstentwickelten Geräten, die voll neuester Elektronik und Hardware stecken. Diese sind dann in hochdruckfeste Gehäuse integriert mit Kabeldurchlässen und Sensorköpfen, die durch Gehäusedeckel führen. Also mögliche Schwachstellen an denen es zu Leckagen unter Wasser kommen kann. Oder Kabelbrüche, elektrische Kontaktschwierigkeiten, die zu Sensorausfällen führen können. Die Video-CTD ist jetzt seit 10 Jahren im Einsatz und hatte bisher noch keinen Zwischenfall. Ich klopfe mal auf unser Holzdeck.
Corona-bedingt, hat sich das geochemische Team auf drei Wissenschaftler reduziert. Das hat sicherlich auch Auswirkungen auf die Kapazitäten der Messungen – in wie fern musste dort die Priorisierung der Messungen geändert werden und wohin hat sich nun der Fokus gelegt?
Ja, wir sind mit 3 Kollegen anstatt mit 6 an Bord gegangen. Wir versuchen dem ursprünglich geplanten Arbeitsprogramm, zu dem auch die Schwerelot-Einsätze und Sedimentkernbeprobung gehören, gerecht zu werden, in dem wir analytische Verfahren, die wir sonst gleich an Bord durchführen würden, später in den GEOMAR-Laboren durchführen. Da wir hier an Bord alle gewonnen Proben gekühlt oder tiefgefroren lagern können, sollte es keinen Verlust in der Datenqualität geben.
Wir danken Mark an dieser Stelle vielmals und verweisen für weitere Informationen hiermit freundlichst auf:
- https://www.geomar.de/mschmidt
- Linke, P., Schmidt, M., Rohleder, M., Al-Barakati, A. und Al-Farawati, R. (2015) Novel online digital video and high-speed data broadcasting via standard coaxial cable onboard marine operating vessels Marine Technology Society Journal, 49 (1) 7-18.
- Schmidt, M., Linke, P., Sommer, S., Esser, D. und Cherednichenko, S. (2015) Natural CO2 seeps offshore Panarea – A test site for subsea CO2 leak detection technology Marine Technology Society Journal, 49 (1) 19-30.
Gegenwärtige Position: 36° 07,914′ N 014°30,535′ E
Text und Fotografie: Johanna Klein, Thore Sager, Helene Hilbert and Anina-Kaja Hinz