Benthische Landegeräte sind autonome oder halbautonome Plattformen für den Meeresboden, die zur Unterstützung von ozeanographischen In-situ-Messungen, Probenahmen, Bildaufnahmen und Experimenten konzipiert sind. Zu den Konfigurationen zählen benthische Kammer-, Profil-, Kamera-, Probenahme-, Versuchs-, Tiefsee- und Hadal-Lander mit Nutzlasten wie CTDs, chemischen Sensoren, ADCPs, Hydrophonen, Kameras und Sedimentprobenehmern.
Dieser Leitfaden behandelt benthische Landegeräte für die benthische Biogeochemie und Ökologie, den Sedimenttransport, die Überwachung von Umweltverschmutzung, Untersuchungen zur Kohlenstoffspeicherung sowie die Bewertung von Offshore-Infrastrukturen.
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Benthische Landegeräte sind autonome oder halbautonome Plattformen, die Instrumente, Probenahmegeräte, Kameras und Versuchssysteme zum Meeresboden befördern, wo sie eine stabile Basis für In-situ-Beobachtungen bieten, die von fahrenden Schiffen oder Unterwasserfahrzeugen aus nur schwer durchzuführen sind.
Viele Systeme werden im freien Fall ausgesetzt und arbeiten unabhängig am Meeresboden, bevor sie Ballast abwerfen und unter positiver Auftriebskraft an die Oberfläche zurückkehren; dabei kommen häufig akustische Auslösevorrichtungen und Oberflächenbaken zum Einsatz, um die Bergung zu unterstützen. Dieser Betriebsansatz ermöglicht es einem benthischen Lander, als vielseitiges Unterwasserlabor für die Tiefseeforschung zu fungieren, ohne dass eine permanente Kabelverbindung erforderlich ist.
Benthische Kammer-Lander isolieren einen definierten Bereich des Sediments und des darüberliegenden Wassers, wodurch Forscher Veränderungen bei gelösten Verbindungen im Zeitverlauf verfolgen und den Austausch von Sauerstoff, Nährstoffen, Parametern des Kohlenstoffkreislaufs sowie anderer gelöster Stoffe über die Sediment-Wasser-Grenzfläche hinweg quantifizieren können. Da das Einbringen der Kammer und die Vermischung die gemessenen Flüsse beeinflussen können, müssen diese Effekte bei der Interpretation der Ergebnisse berücksichtigt werden.
Profiling-Lander positionieren Mikrosensoren durch das Bodenwasser hindurch bis in die obere Sedimentschicht und nutzen dabei feine vertikale Bewegungen, um hochauflösende Messungen von Variablen wie Sauerstoff, Sulfid und pH-Wert zu erstellen. Dieser Ansatz hilft dabei, chemische Gradienten an der Sediment-Wasser-Grenzfläche aufzuschlüsseln, die bei herkömmlichen Flaschenprobenahmen möglicherweise übersehen werden.
Bildgebende Landegeräte nutzen Standbildkameras, Zeitraffersysteme oder Videoaufnahmen, um benthische Organismen und Lebensräume zu beobachten, ohne dass eine kontinuierliche Steuerung des Fahrzeugs erforderlich ist. Der Nutzen und die Interpretation der daraus resultierenden visuellen Aufzeichnungen hängen von Faktoren wie Beleuchtung, Sichtfeld, Bildmaßstab, Einsatzdauer, Köderung sowie etwaigen Störungen durch die Plattform selbst ab.
Probenahme-Landegeräte entnehmen Wasser, Porenwasser, Sediment, Partikel oder biologisches Material direkt am Meeresboden. Die automatisierte Probenahme kann mit Sensormessungen oder experimentellen Aktivitäten synchronisiert werden, während die gewonnenen Proben anschließend für detailliertere Laboranalysen verwendet werden können.
Experimentelle Landers verändern aktiv kontrollierte Bedingungen am Meeresboden, um Prozessraten oder Reaktionen des Ökosystems zu untersuchen und gleichzeitig die daraus resultierenden Umweltveränderungen aufzuzeichnen. Je nach Experiment können sie Kammern, Injektoren, Pumpen, Resuspensionsvorrichtungen, Tracer-Zugaben oder andere spezialisierte Module enthalten.
Tiefsee-Landegeräte sind für den Betrieb unter hohem hydrostatischem Druck, niedrigen Temperaturen und schwierigen Bergungsbedingungen ausgelegt. Hadalsysteme erweitern diesen Ansatz auf Ozeangräben, wo frei fallende Kameralandegeräte Bildaufnahmen, CTD-Messungen und die akustische Ballastabgabe in extremen Tiefen kombinieren können, was Druckgehäuse, Auftriebsvorrichtungen und Auslösesysteme erfordert, die für die Missions-Tiefe entsprechend ausgelegt sind.
Benthische Landungsgeräte ermöglichen Messungen der Atmung, der Nährstoffregeneration, der Remineralisierung organischer Substanzen sowie des Kohlenstoffaustauschs zwischen Sedimenten und Bodenwasser. Kammer- und Profiling-Systeme eignen sich besonders gut für direkte Beobachtungen von Prozessen an der Sediment-Wasser-Grenze, während einige Systeme auch Eddy-Kovarianz-Messungen von benthischen Flüssen ermöglichen, ohne das Sediment physisch einzuschließen.
Ein Lander kann in Umgebungen, die sich nur schwer regelmäßig erneut besuchen lassen, als kompaktes Tiefsee-Observatorium fungieren. Durch die Kombination von Kameras, akustischen Sensoren, Umweltsonden und mit Ködern ausgestatteten Systemen können diese Plattformen das Verhalten, die Bestandsdichte, die Lebensraumnutzung sowie die Zusammenhänge zwischen der benthischen Fauna und den lokalen Umweltbedingungen dokumentieren.
Strömungsmesser, ADCPs, Kameras, Trübungssensoren und bodennah arbeitende Profiler können gemeinsam eingesetzt werden, um Erosion, Ablagerung, Resuspension und Grenzschichtströmung zu charakterisieren. Die Kombination von hydrodynamischen und optischen Messungen hilft dabei, beobachtete Veränderungen des Meeresbodens mit den unmittelbar über dem Sediment wirkenden Kräften in Verbindung zu bringen, wobei bei der Interpretation der Daten die Sensorhöhe und durch den Rahmen verursachte Strömungsstörungen berücksichtigt werden sollten.
Benthische Beobachtungssysteme können Ausgangszustände ermitteln und chemische oder physikalische Veränderungen in der Umgebung von Standorten verfolgen, die von Verschmutzung, Sauerstoffmangel, Offshore-Erschließung oder Kohlenstoffspeicherung unter dem Meeresboden betroffen sind. Dank ihrer langen Verweildauer können Messungen über längere Zeiträume hinweg in der Nähe potenzieller Quellen oder empfindlicher Lebensräume erfasst werden.
Landungsgeräte können die Bedingungen rund um Pipelines, Kabel, Fundamente und Unterwasseranlagen überwachen, indem sie gezielte Messungen von Strömungen, Sedimentreaktionen, Wasserchemie, Akustik und ökologischen Veränderungen ermöglichen. Auf diese Weise lassen sich die Umweltbedingungen rund um die Infrastruktur beobachten, ohne dass ständig Schiffe oder Fahrzeuge vor Ort sein müssen.
Die Auslegung der Nutzlast bestimmt die Messfähigkeit, die Betriebsdauer, den Energiebedarf, die Speicheranforderungen und die Gesamtkomplexität der Mission; daher muss das Instrumentenpaket genau auf die Ziele des Einsatzes abgestimmt werden. Zu den gängigen Nutzlastoptionen gehören die folgenden.
| Sensor/Nutzlast | Übersicht |
| CTD- und hydrografische Sensoren | Messen Leitfähigkeit, Temperatur, Druck und abgeleitete Meerwassereigenschaften in der Nähe des Meeresbodens. |
| Sensoren und Optoden für gelösten Sauerstoff | Erfassen die Sauerstoffverhältnisse im Bodenwasser, in Kammern oder in Versuchsvolumina. |
| pH-, Redox- und chemische Sensoren | Messen chemische Parameter, die für die Biogeochemie und Sedimentprozesse relevant sind. |
| Strömungsmesser und ADCPs | Charakterisieren Sie die Strömung in Bodennähe, Strömungsprofile und hydrodynamische Einwirkungen. |
| Trübungs- und optische Sensoren | Überwachen Schwebstoffe, optische Rückstreuung, Fluoreszenz oder verwandte Eigenschaften. |
| Kameras und Beleuchtungssysteme | Ermöglichen Standbilder, Zeitraffer- oder Videoaufnahmen des Meeresbodens und der benthischen Fauna. |
| Hydrofone und akustische Sensoren | Unterstützen die passive akustische Überwachung und andere akustische Messungen am Meeresboden. |
| Wasser- und Porenwasserprobenehmer | Entnehmen diskrete Proben für Laboranalysen. |
| Sediment- und biologische Probenahmesysteme | Gewinnen physikalisches Material für geologische, chemische, mikrobiologische oder ökologische Untersuchungen. |
Durch die Kombination komplementärer Nutzlasten lässt sich eine Plattform in ein integriertes Unterwasserobservatorium verwandeln, wodurch mehrere Umweltvariablen oder -prozesse während desselben Einsatzes untersucht werden können. Kalibrierung, Synchronisation und Antifouling gewinnen daher bei langen Einsätzen zunehmend an Bedeutung, insbesondere wenn mehrere Sensoren über längere Zeiträume hinweg gemeinsam betrieben werden sollen.
Das Messziel und die Betriebsumgebung sollten ausschlaggebend für die Auswahl des Landers sein, wobei die Plattform, die Nutzlast und das Bergungssystem als Bestandteile desselben Missionskonzepts betrachtet werden sollten. Zu den wichtigsten Auswahlkriterien gehören:
Die Neigung des Meeresbodens, die Sedimentfestigkeit, die Strömungsgeschwindigkeit, die Stabilität des Rahmens sowie das Risiko des Absinkens oder der Auswaschung sollten ebenfalls berücksichtigt werden, da jeder dieser Faktoren sowohl die Messqualität als auch eine erfolgreiche Bergung beeinflussen kann. Zusammengenommen bestimmen diese Faktoren, ob ein benthischer Lander für die beabsichtigte Mission geeignet ist.
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