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Logbuch SONNE SO263

Am 1. Juni 2018 werden wir die Expedition SO263 TONGARIFT mit dem deutschen Forschungsschiff SONNE in Suva, Fidschi, beginnen.

An Bord werden insgesamt 34 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedener Institute sein: des GeoZentrum Nordbayern, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (Fahrtleitung: Prof. Dr. Karsten Haase), der Jacobs University Bremen, der Universität Bremen, des MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen, des MPI in Bremen, der Universität Münster, der Universität Bayreuth, sowie internationale Partner der Universitäten Victoria und Ottawa in Kanada und der Universität Hawaii. Außerdem wird uns eine Beobachterin aus Tonga begleiten.

Unser Ziel befindet sich zwei Tagesreisen von Suva entfernt: der Tonga-Inselbogen, ein Unterwassergebirge mit Dutzenden von aktiven und inaktiven Vulkanen am Grund des Meeres zwischen 700 und 2000 Metern Wassertiefe.

Im Mittelpunkt unserer Expedition steht die Erforschung und Charakterisierung der geologischen und geochemischen Prozesse sowie biologischen Aktivitäten am Tonga-Inselbogen, da sich diese Hydrothermalsysteme stark von denen an mittelozeanischen Rücken unterscheiden.

Zur Probenahme an den aktiven hydrothermalen Quellen wird der Tiefseeroboter MARUM-QUEST eingesetzt, der auch Proben von Gesteinen, Erzen oder Organismen wie Muscheln mit an Bord bringt. Ein videogesteuerter Greifer wird große Mengen an Gesteinen sammeln, während ein Kranzwasserschöpfer, bestückt mit verschiedenen Onlinesensoren, mehrere Liter Wasserproben aus unterschiedlichen Tiefen nehmen kann.

Wir werden Wasserproben sowohl direkt an der hydrothermalen Quelle, als auch entlang der gesamten Wassersäule bis zur Oberfläche nehmen. Dabei geht es vor allem um die Charakterisierung der bisher wenig untersuchten Stoffeinträge von hydrothermalen Systemen des Tonga-Inselbogens in den Ozean und deren Bedeutung für den globalen Stoffhaushalt der Meere sowie die lokalen chemischen und biologischen Prozesse in der Wassersäule und am Meeresboden.

Hier berichten die Forscherinnen und Forscher in einem Logbuch vom Leben und Arbeiten an Bord.

Logo der Expedition
Logo der Expedition
FS SONNE im Hafen von Suva (Fidschi) (Foto: Christoph Beier (FAU))
FS SONNE im Hafen von Suva (Fidschi) (Foto: Christoph Beier (FAU))
Schwarzer Raucher entlang des Kermadec-Inselbogens, der südlichen Fortsetzung des Tonga-Bogens, aufgenommen vom Tauchroboter MARUM-QUEST während der Expedition SO253 im Januar 2017. (Foto: MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen)
Schwarzer Raucher entlang des Kermadec-Inselbogens, der südlichen Fortsetzung des Tonga-Bogens, aufgenommen vom Tauchroboter MARUM-QUEST während der Expedition SO253 im Januar 2017. (Foto: MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen)

19. Juni: Spurenmetalleintrag in den Ozean

Neben den Fluidchemikern der Universität Bremen, die sich vor allem mit den Gasen in den Fluiden beschäftigen, besteht das Team der Fluidchemiker und Fluidchemikerinnen an Bord aus Annika Moje, Charlotte Kleint und David Ernst von der Jacobs Universität in Bremen, Britta Planer-Friedrich von der Universität Bayreuth, Ingo Meierhoff aus Münster, Christian Peters von der Universität Münster sowie Frederike Wilckens vom MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen.

Das Fluidchemie-Team der SO263. Oben, von links: Patrick Monien, David Ernst, Charlotte Kleint, Britta Planer-Friedrich, Christian Peters, Ingo Meyerhoff. Unten, von links nach rechts: Stefan Sopke, Alexander Diehl, Annika Moje, Frederike Wilckens. Foto: S. Krumm, FAU
Das Fluidchemie-Team der SO263. Oben, von links: Patrick Monien, David Ernst, Charlotte Kleint, Britta Planer-Friedrich, Christian Peters, Ingo Meyerhoff. Unten, von links nach rechts: Stefan Sopke, Alexander Diehl, Annika Moje, Frederike Wilckens. Foto: S. Krumm, FAU

Das Team arbeitet mit den Fluiden, die aus den hydrothermalen Plumes mithilfe des Kranzwasserschöpfers und von den heißen sowie diffusen Quellen mithilfe des MARUM-QUEST genommen werden. Eine Fragestellung, die uns interessiert, ist zum Beispiel, wieviel Arsen und Eisen aus den unterschiedlichen Quellen austritt und wie weit wir diese Elemente in der Wassersäule „verfolgen“ können. Schaffen sie es bis in die oberen 200 Meter des Meeres, die photische Zone, wo die Bioproduktivität am höchsten ist und die meisten Organismen wohnen? Eisen ist ein wichtiger, aber limitierter Nährstoff für fast alle marinen Organismen, wohingegen Arsen eine toxische Wirkung haben kann. Gerade im Umfeld von heißen Quellen gibt es jedoch auch viele Mikroorganismen, die Arsen zumindest tolerieren, teils sogar zum Energiegewinn nutzen können.

Bereits an Bord werden viele Parameter der Fluide bestimmt. So werden direkt nach der Probenahme der pH-Wert, Sauerstoffgehalt, der Salzgehalt und das Redoxpotential (Eh-Wert) der Fluide und Plumes gemessen. Zudem werden Eisen-, Sulfid-, Magnesium-, Calcium- und Chlor-Konzentrationen an den Fluiden bestimmt. Anhand dieser ersten Ergebnisse können wir bereits abschätzen, wie gut die Probenahme funktioniert hat, das heißt wie rein die gesammelten hydrothermalen Fluide sind. Außerdem können erste Aussagen darüber getroffen werden, welche Prozesse und Quellen die hydrothermalen Fluide beeinflusst haben.

Der Großteil der Arbeit im Labor an Bord besteht aber darin, die Proben für den Transport und die späteren Analysen im Labor zu Hause vorzubereiten. Da viele der Komponenten unter Oberflächenbedingungen nicht stabil sind, muss es immer sehr schnell gehen. So stehen alle Fluidchemiker ungeduldig bereit, sobald der Kranzwasserschöpfer oder das MARUM-QUEST an Bord kommen, um möglichst schnell die Proben zu bearbeiten. Abhängig von der späteren Methodik werden die Fluide in verschiedenen Größenfraktionen filtriert, teilweise angesäuert, gekühlt oder eingefroren. Für einige Analysen an Land werden zudem die leicht flüchtigen Komponenten der Fluide fixiert, um später richtige und präzise Ergebnisse zu gewährleisten.

Frederike Wilckens führt erste Messungen (Titration) der Proben durch. Foto: C. Kleint, Jacobs University
Frederike Wilckens führt erste Messungen (Titration) der Proben durch. Foto: C. Kleint, Jacobs University
Annika Moje beim Bearbeiten der Proben. Foto: C. Kleint, Jacobs University
Annika Moje beim Bearbeiten der Proben. Foto: C. Kleint, Jacobs University

18. Juni: MARUM-QUEST findet Greifer-Beprobungsstelle

Das MARUM-QUEST hat bei unserem heutigen Tauchgang auf einer südlichen Erhebung in der Niuatahi Caldera eine Stelle gefunden, die am Tag zuvor mit dem videogesteuerten Greifer beprobt wurde – sichtbar ist die Stelle als „weißes Loch“ im Bild.

 

Die verschiedenen Kamera-Ansichten des MARUM-QUEST. Foto: MARUM − Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen
Die verschiedenen Kamera-Ansichten des MARUM-QUEST. Foto: MARUM − Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen

Trotz der Größe der Baggerschaufeln und der eher einfachen Technik zeigt sich, dass mit Hilfe des Greifers Proben sehr gezielt genommen werden können, ohne dabei größere Schäden am Meeresboden anzurichten.

Das Bild zeigt sehr eindrucksvoll die verschiedenen Kamera-Ansichten des MARUM-QUEST, die die detaillierte Navigation und Probenahme mit dem ferngesteuerten Tauchroboter ermöglichen.

15. Juni: Angekommen im dritten Arbeitsgebiet – Niuatahi Caldera

Heute haben wir unser Arbeitsprogramm im dritten Arbeitsgebiet der SO263, der Niuatahi Caldera, begonnen. Während des ersten Tauchgangs haben wir gleich zwei neue Temperaturrekorde für diese Expedition aufgestellt. Zwei schwarze Raucher mit Temperaturen von je 324 und 334 Grad Celsius wurden erfolgreich beprobt.

Die Petrologen und Fluidchemiker der Arbeitsgruppe „Petrologie der Ozeankruste“ der Universität Bremen und des MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften – Wolfgang Bach, Patrick Monien, Alexander Diehl und Stefan Sopke – beschäftigen sich mit der Beprobung und Analyse der aus den Schloten der schwarzen und weißen Rauchern austretenden hydrothermalen Fluide.

Neben grundlegenden Parametern wie Temperatur und pH-Wert werden die Alkalinität, die sogenannte Säurepufferkapazität des Wassers, sowie die Konzentrationen an Wasserstoff und Methan direkt an Bord bestimmt.

Alexander Diehl füllt eine IGT-Probe in eine gasdichte Spritze. Foto: C. Kleint, Jacobs University
Alexander Diehl füllt eine IGT-Probe in eine gasdichte Spritze. Foto: C. Kleint, Jacobs University
Patrick Monien bestimmt die Alkalinität an einer IGT-Probe. Foto: C. Kleint, Jacobs University
Patrick Monien bestimmt die Alkalinität an einer IGT-Probe. Foto: C. Kleint, Jacobs University

Für die Beprobung werden dabei sogenannte „IGT-Sampler“ eingesetzt. Die Abkürzung steht für „isobaric gas-tight“. Diese speziellen Fluidprobenschöpfer ermöglichen es, die am Meeresboden gewonnenen Proben ohne Druckentlastung an Bord des Schiffes zu holen und damit einen Verlust der im Fluid gelösten Gase zu verhindern. Eine Druckentlastung findet erst statt, wenn eine kleine Teilprobe in eine gasdichte Glasspritze gefüllt wird. Dort perlen die Gase aus der Flüssigkeit aus, ähnlich wie beim Öffnen einer Sprudelwasserflasche. Im Anschluss wird das ausgeperlte Gas in einen Gaschromatographen injiziert und in seine einzelnen Komponenten aufgeteilt, bevor zwei Detektoren simultan die Konzentrationen der Gase Methan und Wasserstoff ermitteln. Gerade die Konzentration des Gases Wasserstoff mit seiner reduzierenden Wirkung bestimmt das chemische Milieu im Untergrund und die Art der Wechselwirkung zwischen den heißen Lösungen und dem Vulkangestein.

Dieser Schlüsselparameter wird uns ermöglichen, mithilfe von thermodynamischen Berechnungen die chemischen Prozesse, die tief am Ozeanboden unter den hydrothermalen Feldern stattfinden, zu verstehen. Die Gasgehalte spielen weiter eine wichtige Rolle für die an den Schloten lebenden Lebewesen, da sie unter anderem den „Treibstoff“ für die Chemosynthese-treibenden Organismen darstellen.

Die Proben aus den IGT-Samplern werden unter den beteiligten Fluidchemikern der Universität Bremen, der Jacobs Universität, der Universität Münster sowie der Universität Bayreuth aufgeteilt, um eine komplette Analyse dieser aufwendig geborgenen Fluide zu gewährleisten.

IGT-Probe in gasdichter Spritze; man sieht das Ausperlen der Gasblasen. Foto: A. Diehl, Universität Bremen
IGT-Probe in gasdichter Spritze; man sieht das Ausperlen der Gasblasen. Foto: A. Diehl, Universität Bremen
 

10. Juni: „Mussel Mania“ – Niua North

Nachdem wir in dem rund 1200 Meter tiefen Arbeitsgebiet Niua South jede Menge Gesteinsproben und Fluide über 300°C beproben konnten, ist unser nächstes Arbeitsgebiet Niua North.

Dieses liegt in nur circa 700 Meter Wassertiefe, und, wie der Name schon andeutet, etwa zehn Kilometer nördlich vom ersten Arbeitsgebiet Niua South.

Der Hydrothermalismus äußert sich hier ganz anders – nicht in Form von schwarzen Rauchern, sondern eher als weiße Raucher. Die Fluide sind sehr sauer (pH 1.8), sehr schwefelhaltig und gasreich; das Ventfeld wird auch Hellow Vents genannt.

Während wir in Niua South nur eine einzige Muschel gefunden haben, gibt es in Niua North gleich ein ganzes Feld von Muscheln: Mussel Mania.  Die Mikrobiologinnen und Mikrobiologen Merle Ücker und Miguel Ángel González Porras vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen warten schon gespannt auf die ersten Muscheln aus diesem Gebiet.

Das Netz, mit dem MARUM-QUEST jede Menge der Bathymodiolus Muscheln eingesammelt hat, wird in einer Schublade am ROV sicher verstaut. Sobald das MARUM-QUEST an Deck kommt, muss es schnell gehen: Um eine „Veränderung“ der Muscheln zu verhindern, werden sie sofort im Labor der FS SONNE seziert. Das für die Mikrobiologinnen und Mikrobiologen interessanteste Organ sind die stark ausgeprägten Kiemen, welche bakterielle Symbionten enthalten. Diese Symbionten sind der Grund, warum die Muscheln „da unten” überhaupt überleben können; wo es dunkel ist und eigentlich kein organisches Material als Nahrung zur Verfügung steht.

Miguel Ángel González Porras und Merle Ücker vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen mit zwei der Bathymodiolus Muscheln im Labor. Foto: C. Kleint, Jacobs University
Miguel Ángel González Porras und Merle Ücker vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen mit zwei der Bathymodiolus Muscheln im Labor. Foto: C. Kleint, Jacobs University
Mussel Mania in Niua North. Foto: MARUM − Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen
Mussel Mania in Niua North. Foto: MARUM − Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen
Weißer Raucher in Niua North, Hellow Vents. Foto: MARUM − Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen
Weißer Raucher in Niua North, Hellow Vents. Foto: MARUM − Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen

Die Symbionten sind in der Lage, die chemischen Verbindungen aus den hydrothermalen Fluiden als Energie zu nutzen, um Biomasse herzustellen, ein Prozess, der als Chemosynthese bekannt ist. Die Biomasse wird direkt an ihren Wirt weitergeleitet – die Muschel.

Zurück in Bremen werden die Kiemen der Muscheln im Labor weiter untersucht. Durch „Molekularsprache“ wollen die Mikrobiologinnen und Mikrobiologen verstehen, wie die Symbionten mit den Muscheln interagieren, wie divers die Symbionten sind und welchen Einfluss die Umwelt auf ihre Population hat.

 

 

Eine geöffnete Bathymodiolus Muschel, bereit für die Sezierung. Foto: C. Kleint, Jacobs University
Eine geöffnete Bathymodiolus Muschel, bereit für die Sezierung. Foto: C. Kleint, Jacobs University

7. Juni: Proben vom ersten Arbeitsgebiet – Niua South

Nachdem alle Labore nun vollständig eingerichtet sind und die Geräte bereit für ihre Einsätze, haben wir mit Freude und Neugier die ersten Proben erwartet.

Je vier erfolgreiche TV-Greifer-Einsätze in den Nächten vom 3. bis zum 7. Juni brachten jeweils viele Kilogramm Gesteine zwischen 600 und 1500 Metern Tiefe an Bord der SONNE.

Christoph Beier und Bernd Schleifer mit einem Basalt vor dem TV-Greifer (S. Krumm, FAU)
Christoph Beier und Bernd Schleifer mit einem Basalt vor dem TV-Greifer (S. Krumm, FAU)

Die Gesteine reichen von Bimsen, wie sie häufig in Inselbögen zu finden sind, zu basaltischen Gesteinen, die für das Verständnis der Bildungsprozesse von Niua South wichtig sind. Die Spannbreite der Gesteinstypen, die wir finden, erlaubt uns, die Probennahme der nächsten Nächte basierend auf den Gesteinen und Bildern der vorhergehenden TV-Greifer anzupassen und so eine effiziente Probennahme zu gestalten. An Bord der Sonne werden die Gesteine gleich bearbeitet, gesägt, beschrieben und für den Transport in die Heimat verpackt.

Im ersten Arbeitsgebiet Niua South wurden zusätzlich 4 Kranzwasserschöpfer-Profile (sogenannte tow-yos) gefahren, um mögliche Plumes in der Wassersäule zu detektieren. Hierfür wird der Wasserschöpfer in unterschiedlichen Tiefen hinter der SONNE (die mit nur 1 Knoten das ausgewählte Profil abfährt) hergezogen, wobei die angebrachten Sensoren kontinuierlich und live Messdaten wie Tiefe, Salinität, Druck und – als wichtigster Parameter für uns – Trübe übertragen. Ein Trübesignal deutet auf Partikel in der Wassersäule hin und ist meist ein Anzeichen für einen hydrothermalen Plume. In diesen Tiefen werden dann die Flaschen am Kranzwasserschöpfer per Knopfdruck aus dem Labor geschlossen. Bis zu 24 Flaschen mit je 12 Liter Volumen können so gefüllt werden. Wieder an Deck stehen schon alle Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen bereit, um sich Proben aus den entsprechenden Flaschen und Tiefen abzufüllen.

Durch diese Profile und spätere Analysen können wir abschätzen, wie weit sich der Plume ausbreitet – lateral und vertikal.

Wasserkranzschöpfer an Deck der SONNE (C. Kleint, Jacobs University)
Wasserkranzschöpfer an Deck der SONNE (C. Kleint, Jacobs University)
MARUM-QUEST an Bord der SONNE (M. Anderson, GEOMAR)
MARUM-QUEST an Bord der SONNE (M. Anderson, GEOMAR)
Aussetzen vom MARUM-QUEST (D. Ernst, Jacobs University)
Aussetzen vom MARUM-QUEST (D. Ernst, Jacobs University)

Unser wichtigstes Probenahme-Gerät, das „MARUM-QUEST“, taucht bereits zum zweiten Mal und liefert uns spektakuläre Bilder und Proben vom Meeresboden. Nachdem es 1200 Meter durch die Wassersäule abgetaucht ist, landete es direkt in einem Gebiet mit aktiven und inaktiven hydrothermalen Rauchern und wir konnten somit recht schnell mit der ersten Probenahme beginnen.

 

Schwarzer Raucher in Niua South (MARUM − Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen)
Schwarzer Raucher in Niua South (MARUM − Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen)
Fluidprobenahme am schwarzen Raucher in Niua South (MARUM − Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen)
Fluidprobenahme am schwarzen Raucher in Niua South (MARUM − Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen)

Neben Gesteinen und Erzen, sammelt „QUEST“ auch Fluide, sowie biologische Proben wie Muscheln, Schnecken oder Röhrenwürmer ein. Die erste Bearbeitung der Proben beginnt direkt in den Laboren der SONNE und dauert bis in die Nacht, während zeitgleich bereits das nächste Gerät von Deck gelassen wird, um weitere Proben an Bord zu bringen.   

Schnecke „Alviniconcha“ von aktiven hydrothermalen Quellen in Niua South (D. Ernst, Jacobs University)
Schnecke „Alviniconcha“ von aktiven hydrothermalen Quellen in Niua South (D. Ernst, Jacobs University)

03. Juni: SO263 TongaRift ist gestartet

Am Morgen des 31.05. bezogen alle Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen ihre Kammern an Bord des “FS Sonne”. Da es auch alle Container samt Luftfracht rechtzeitig nach Suva geschafft haben, konnten wir pünktlich am 1. Juni gegen 9:00 Ortszeit den Hafen von Suva auf den Fidschi-Inseln Richtung Osten – Kurs Tonga – verlassen. An Bord sind Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der unterschiedlichsten Disziplinen, wie Petrologie, Geochemie, Ozeanographie und Biologie. Starker Wind und deutlicher Seegang bereiten noch dem ein oder anderen Fahrtteilnehmer Probleme, aber die Wetterprognosen versprechen Besserung. Da ja ein voller Magen gut gegen Seekrankheit ist, sind wir sehr dankbar für das sehr leckere Essen an Bord.

An Bord gehen am Vormittag des 31.5.2018 (Foto: D. Ernst, Jacobs University)
An Bord gehen am Vormittag des 31.5.2018 (Foto: D. Ernst, Jacobs University)
Leeres Labor an Bord der SONNE (Foto: D. Ernst, Jacobs University)
Leeres Labor an Bord der SONNE (Foto: D. Ernst, Jacobs University)
Labor-Vorbereitungen und Einrichten (Foto: D. Ernst, Jacobs University)
Labor-Vorbereitungen und Einrichten (Foto: D. Ernst, Jacobs University)

Die zwei Tage Transit zum ersten Arbeitsgebiet verwenden wir dazu, die leeren Labore des Schiffes mit ihren jeweiligen Arbeitsgeräten in funktionierende Arbeitsplätze zu verwandeln. Das Spektrum ist groß und reicht von grober mechanischer Zerkleinerung wie Sägen bis hin zu Mini-Reinsträumen für spurenmetallfreies Arbeiten.

Zudem werden die mitgebrachten Instrumente, wie z.B. der Gaschromatograph zur Bestimmung von Gasgehalten oder das Photometer zur Analyse von Sulfid- und Eisenkonzentrationen, auf ihre Funktionsfähigkeit getestet. Aber nicht nur drinnen, auch draußen an Deck werden die Großgeräte, wie der Wasserschöpfer, der TV-Greifer und natürlich der Tauchroboter, das ROV MARUM-QUEST, für den Probeneinsatz vorbereitet. Hierbei unterstützt uns die sehr erfahrene und hilfsbereite Mannschaft und auch kleinere Anliegen werden schnell gelöst.

Am Nachmittag des 3. Juni findet die erste Probenahme statt. Hierbei werden mithilfe des Kranzwasserschöpfers Wasserproben aus unterschiedlichen Tiefen genommen. Diese Wasserproben dienen zur Analyse von “Hintergrund”-Konzentrationen und zur Kalibrierung der verschiedenen Geräte. Anschließend folgt ein Nachteinsatz des TV-Greifers, der die ersten Gesteinsproben vom Meeresgrund liefern wird. Die erste Probenahme durch das MARUM-QUEST ist für den 5. Juni geplant.

Seegang während des Transits (Foto. S. Krumm, FAU)
Seegang während des Transits (Foto. S. Krumm, FAU)
Auslaufen des FS SONNE aus Suva, Fiji (Foto: D. Ernst, Jacobs University)
Auslaufen des FS SONNE aus Suva, Fiji (Foto: D. Ernst, Jacobs University)

Wir sind gespannt und freuen uns schon auf die ersten Proben und spektakulären Bilder der Hydrothermalsysteme.