Die Arktis ist abgelegen, die Bedingungen sind oft rau und das Klima verändert sich schnell – es erwärmt sich viermal schneller als auf dem Rest der Erde. Dies macht die Untersuchung des arktischen Klimas sowohl anspruchsvoll als auch entscheidend für das Verständnis des globalen Klimawandels.
Wissenschaftler der Sandia National Laboratories nutzen ein vorhandenes Glasfaserkabel vor Oliktok Point am Nordhang Alaskas, um die Bedingungen des arktischen Meeresbodens bis zu 20 Meilen von der Küste entfernt zu untersuchen. Christian Stanciu, Projektleiter, wird seine neuesten Erkenntnisse am Freitag, 15. Dezember um präsentieren Herbsttreffen der AGU in San Francisco.
Ihr Ziel ist es, die seismische Struktur kilometerlanger arktischer Meeresböden zu bestimmen. Mit einer neuen Technik können sie Bereiche des Meeresbodens erkennen, in denen sich Schall schneller ausbreitet als auf dem Rest des Meeresbodens, typischerweise aufgrund von mehr Eis. Sie hätten mehrere Gebiete mit viel Eis identifiziert, sagte Stanciu, ein Geophysiker aus Sandia.
Die Wissenschaftler nutzten das Kabel auch, um Temperaturen über den Meeresboden zu bestimmen und Temperaturänderungen im Laufe der Jahreszeiten zu überwachen. Diese Daten wurden, anders als alle zuvor gesammelten, in ein Computermodell eingefügt, um auf die Verteilung des unterseeischen Permafrosts zu schließen, sagte Jennifer Frederick, eine computergestützte Geowissenschaftlerin.
„Eine der Innovationen dieses Projekts besteht darin, dass wir jetzt eine einzige Faser verwenden können, um akustische und Temperaturdaten zu erhalten“, sagte Stanciu. „Wir haben ein neues System entwickelt, um beide Arten von Daten mithilfe eines Faserstrangs aus der Ferne zu sammeln. Wir erhalten einige interessante Ergebnisse.“
Permafrost und reflektiertes Licht
So wie Truthahnreste, die seit Thanksgiving hinten im Gefrierschrank liegen, ist der arktische Permafrost ein Festmahl, das nur darauf wartet, aufgetaut zu werden. Insbesondere wenn die einst lebende Materie, die während der letzten Eiszeit gefroren war, auftaut, beginnen Mikroben, sie zu verdauen und Abgase wie Methan und Kohlendioxid zu produzieren, sagte Frederick. Wissenschaftler untersuchen, wie groß das mikrobielle Bankett ist in der Arktis eingefroren und wie groß die Auswirkungen dieser Gase auf das globale Klima sein könnten.
Um den Permafrost auf dem arktischen Meeresboden zu untersuchen, nutzten die Forscher Laserlichtimpulse, die von einem unterseeischen Telekommunikations-Glasfaserkabel abgeschossen wurden, das vor der Küste Alaskas vergraben war und nördlich von Oliktok Point verläuft. Winzige Mängel im Kabel führten dazu, dass das Licht zu einem Sensorsystem zurückgeworfen wurde.
Durch die Erfassung dieses Lichts in zwei Wellenlängen oder Farben und deren Vergleich konnten die Forscher die Temperatur des Kabels jeden Meter bestimmen, sagte Frederick. Dies wird als verteilte Temperaturmessung bezeichnet.
Durch die Betrachtung von Licht einer anderen Wellenlänge konnten die Forscher erkennen, wann das Kabel durch eine vorbeiziehende Schallwelle belastet wurde. Diese sogenannte verteilte akustische Erfassung lieferte Informationen über die Struktur des Meeresbodens bis in Tiefen von ein bis drei Meilen, sagte Stanciu.
Mit dieser Methode glauben die Wissenschaftler, den Boden des Permafrostbodens des Meeresbodens in einer Tiefe von etwa einer Viertelmeile identifiziert zu haben. Sie fanden auch ein anderes Gebiet mit ungewöhnlich großen Mengen Eis, was möglicherweise auf einen Pingo oder „Eispickel“ zurückzuführen ist, einen kuppelförmigen Hügel, der durch nach oben drängendes Eis entstanden ist, fügte er hinzu. Die Datenanalyse für die Messungen wurde hauptsächlich von Sandia-Praktikant Brandon Herr durchgeführt.
„Da wir die Temperatur kontinuierlich überwachen können, können wir jetzt Veränderungen von Jahr zu Jahr und von Saison zu Saison erkennen“, sagte Frederick. „Wir suchen speziell nach unerklärlichen warmen Stellen. Wir glauben, dass wir Bereiche mit Meeresbodensickern sehen können – so etwas wie Quellen, die aus dem Boden entspringen, außer auf dem Meeresboden. Wir sind an ihnen interessiert, weil sie Träger sind.“ von tieferen, kohlenstoffreichen Flüssigkeiten und sind ein Hinweis auf Erwärmung und Veränderung.“
Geschichte und Innovationen
Sandia war Klimadaten sammeln aus Nordalaska seit mehr als 25 Jahren. Das aktuelle Forschungsprojekt begann vor etwa einem Jahr und baut auf früheren Arbeiten der Sandia-Geophysiker Rob Abbott und Michael Baker an demselben Glasfaserkabel auf.
Eine aktuelle Innovation von Stancius Team ist ein voll funktionsfähiges System, das eine Ferndatenerfassung nahezu in Echtzeit ermöglicht. Dies minimiert die Zeit und Kosten für die Reise nach Oliktok und das Risiko eines Datenverlusts, wenn das System unbeaufsichtigt ist, sagte Stanciu. Akustik- und Temperaturdaten können nicht gleichzeitig erfasst werden, aber das eine oder das andere kann jetzt kontinuierlich erfasst werden.
Eine Herausforderung, die das Team im ersten Jahr des Projekts löste, bestand darin, herauszufinden, wie Temperaturdaten vom Glasfaserkabel kalibriert werden können, sagte Frederick. Typischerweise werden verteilte Temperaturerfassungssysteme mit Selbstkontrollsystemen wie Glasfasern, die sich aus Redundanzgründen auf sich selbst verdoppeln, oder mit eingebauten Thermometern aufgebaut. Da das Team jedoch eine dunkle Telekommunikationsfaser nutzt, benötigten sie Rechenmodelle, um die festgestellten saisonalen Temperaturänderungen zu validieren. Die Datenanalyse hierfür wurde hauptsächlich von Sandia-Praktikant Ethan Conley durchgeführt.
Frederick verwendet die Daten der verteilten Temperaturmessung und die Ergebnisse der verteilten akustischen Sensormodellierung, um Einschränkungen für a bereitzustellen Geophysikalischer Modellierungscode entwickelt von Sandia. Der Code modelliert Flüssigkeiten und Gase, die durch unterirdische Böden strömen. Frederick verwendet diesen Code, um 100.000 Jahre geologische Geschichte für den untersuchten Abschnitt des arktischen Meeresbodens zu modellieren, einschließlich der Durchschnittstemperatur der letzten Eiszeit und des Anstiegs des Meeresspiegels. Die Ergebnisse des Modells sind Karten der aktuellen Verteilung des submarinen Permafrosts.
Einschränkungen des vom Team verwendeten Abfragesystems, einschließlich der Leistung des Lasers und der Empfindlichkeit der Sensoren, hindern die Wissenschaftler daran, Daten mehr als 18 bis 25 Meilen vor der Küste zu sammeln, sagte Frederick. Mit Verbesserungen des Systems hofft sie, den Abstand weiter zu vergrößern.
„Dieses Projekt besteht aus vielen verschiedenen Teilen“, sagte Frederick. „Ich betrachte die Temperatur und Christian befasst sich mit der Akustik, um ein Untergrundmodell zu erhalten. Eigentlich braucht man all diese Teile, um etwas über das Gesamtbild der aktuellen Verteilung des Permafrosts zu sagen und darüber, ob wir Veränderungen wie Sickerstellen sehen und wie das geschieht.“ spielt eine Rolle im Gesamtbild der Treibhausgasemissionen. Es ist wirklich cool, neue Werkzeuge nutzen und auf die Spitze treiben zu können, um zu sehen, was wir daraus lernen können.“