Tiefsee

Hydrothermale Quellen sind vor allen durch das optische Phänomen der Schlieren erkennbar. Daher spielt die Optik eine große Rolle. Im Folgenden werden einige dafür relevante optische Phänomene vorgestellt.

Brechung

Mit Brechung wird die Änderung der Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls bezeichnet. Das passiert bei einem Phasenübergang, also wenn der Lichtstrahl von einem Medium (Material) in ein anderes geht. Der Grund dafür ist, dass die beiden Phasen einen unterschiedlichen Brechungsindex haben. Der Brechungsinde ist eine optische Materialeigenschaft, der sich aus dem Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zur Lichtgeschwindigkeit in dem Medium ergibt. Damit ist der Brechungsindex auch Dimensionslos (er hat keine Einheit, wie z.B. m/s). Die Änderung der Ausbreitungsrichtung kann durch Snellius Brechungsgesetz bestimmt werden.

Doppelte Brechung. Quelle: Wikimedia (Public Domain)

Verschiedene Wellenlängen werden dabei unterschiedlich stark abgelenkt. So kann z.B. ein Prisma weißes Licht in seine Bestandteile aufteilen.

Prisma und Wellenlängen. Quelle: Wikimedia (Public Domain)

Brechung ist wahrscheinlich der wichtigste Effekt im Zusammenhang mit Schlieren. Die Temperatur eines Mediums hat einen Einfluss auf den Brechungsindex. Aus hydrothermalen Quellen strömt warmes Wasser, während das Wasser in der Umgebung kalt ist. Das warme Wasser hat einen anderen Brechungsindex, als das kalte. Dadurch wird das Licht abgelenkt. Aber das warme Wasser ist nicht überall gleich warm und es vermischt sich auch mit dem kälteren Wasser. Dadurch entsteht ein Temperatur Gradient und das Licht wird nicht nur einmal gebrochen, sondern ganz oft und auch immer leicht unterschiedlich. So entsteht das charakteristische Flackern der Schlieren.

Flackernde Schlieren im Experiment. Eigenes Werk

Streuung

Streuung ist die Ablenkung eines Lichtstrahls durch Wechselwirkung mit einem anderen Objekt, oder beim Durchgang durch ein medium. Dabei ist die Intensität der Streuung abhängig von der Wellenlänge. Blaues licht wird stärker gestreut, als rotes.

Das ist auch der Grund dafür, dass die Sonne abends rötlich erscheint. Sie steht tiefer und das Licht muss einen längeren Weg in der Athmospäre zurücklegen. Auf diesem längeren Weg wird blaues licht stärker gestreut als rotes, also kommt auch mehr rotes Licht beim Betrachter an. Das folgende Bild stellt dieses Phänomen dar.

Streuung. Quelle: WissenA5 (CC-BY-SA 3.0)

Unterwasser trägt die Streuung dazu bei, dass Lichtstrahlen abgelenkt werden und so die Lichtintensität verringert wird.

Absorption

Die Absorption von Licht ist eine physikalische Wechselwirkung, bei der Licht seine Energie an Materie abgibt. Dabei werden Atome oder Moleküle des Körpers zu höheren Energiezuständen angeregt. Das passiert genau dann, wenn ein Körper das einfallende Licht nicht reflektiert oder durchlässt (bei durchsichtigen Körpern). Die Wellenlängen des Lichts, die von einem Körper reflektiert oder durchgelassen werden, entsprechen der Farbe, in der der Körper erscheint. Entsprechend sind die Wellenlängen des absorbierten Lichts genau die, die nicht in der Farbe des Körpers enthalten sind. Sie werden umgangssprachlich von dem Körper ‘verschluckt’. Dunkle Körper absorbieren Licht beispielsweise besser als helle Körper, sie erscheinen uns also weniger farbig. Sie werden außerdem in der Sonne schneller warm, denn das Licht gibt seine Energie in an den Körper ab und dieser gibt sie als Wärme wieder ab.

Unter Wasser gilt: Schon ab 5 Meter Tiefe wird die Farbe Rot aus den Wellenlängen des Sonnenlichts selbst in klarem Wasser vollständig absorbiert. Am schlechtesten wird blaues Licht absorbiert. Das heißt, dass blaues Licht am weitesten kommt, ohne absorbiert zu werden. Daher erscheint es unter wasser auch bläulich, da all anderen Farben eher absorbiert werden. Aber auch blaues Licht wird letztendlich irgendwann absorbiert. Deswegen ist die Sichtweite unterwasser sehr beschränkt.

Die Durchführung eines Projekts kann verschiedene ethisch relevante Felder tangieren. Um die ethische Vertretbarkeit des Projektes zu prüfen wurden die Ethischen Leitlinien der Gesellschaft für Informatik herangezogen. Es folgt eine Einordnung des Projektes in die dort aufgeführten Kategorien, sofern diese einen Bezug zu einem studentischen Forschungsprojekt aufweisen.

1 Fachkompetenz

Im Rahmen des Projektes konnten die Teilnehmenden viel Eindrücke aus den zugehörigen Fachgebieten sammeln. Unterstützt wurde dies durch eine gezielte Recherche, gerade zum Projektstart und den Besuch der Breaking the Surface durch eine Gruppe von Projektmitgliedern.

2 Sachkompetenz und kommunikative Kompetenz

Verschiedene Maßnahmen, wie zum Beispiel die Teilnahme von Projektmitgliedern an Workshops zu Projektmanagement, Kommunikation- und Konfliktmanagement haben dazu beigetragen, auch auf methodischer Seite wichtige Aspekte von Projekten kennen zu lernen.

Die Arbeit direkt am Marum hat zudem dazu beigetragen, auch Impressionen der Anwendungsdomäne mitzunehmen.

3 Juristische Kompetenz

Verschiedene Fragestellungen, zum Beispiel der rechtliche Rahmen zur Nutzung von Bildmaterial von Tiefseeexpeditionen haben für das Projekt eine Rolle gespielt.

4 Urteilsfähigkeit

Es hat durchgehend ein intensiver Diskurs mit anderen Projektmitgliedern und Betreuern stattgefunden. Über den Projektzeitraum konnten zudem verschiedene längerfristige Entwicklungen und Auswirkungen von Entscheidungen betrachtet werden.

5 Arbeitsbedingungen

Die Arbeitsweise konnte individuell in den einzelnen Teilgruppen abgesprochen und an die Umstände angepasst werden. Mit Beginn der Kontaktbeschränkungen und entsprechender Hygiene-Empfehlungen wurde vollständig auf Heimarbeit umgestellt.

6 Organisationsstrukturen

Das Projekt wurde selbstorganisiert und nur mit verhältnismäßig wenigen Anweisungen von Außen durchgeführt.

7 Lehren und Lernen

Zur Weitergabe der Erkenntnisse aus dem Projekt wurden ein Paper und diese Internetseite konzipiert. Diese beinhalten auch jeweils eine Einführung in die Grundlagen und Hintergründe.

Im Rahmen des Projekts konnte ein regelmäßiger Austausch mit den Lehrenden stattfinden. Eine ursprünglich angedachte begleitende Vortragsreihe konnte leider nicht realisiert werden.

8 Forschung

Bei Kommunikation der Erkenntnisse wurde insbesondere auch darauf geachtet, die Ergebnisse so transparent wie möglich zu gestalten und zum Beispiel einem Publication Bias entgegenzuwirken.

Zudem wurden etwaige mögliche Auswirkungen, zum Beispiel in Bezug auf Unterwasser-Bergbau, thematisiert.

10 Soziale Verantwortung

Bei dem Projekt handelt es sich im Kern um Grundlagenforschung, die in Zukunft gegebenenfalls die Erkenntnisgewinnung in Meeresbiologie -ökologie und -geologie fördern kann.

11 Ermöglichung der Selbstbestimmung

Bei der Durchführung des Projektes wurden durch den intensiven Kontakt mit Lehrenden und anderen Arbeitsgruppenmitgliedern verschiedene Rückmeldungen eingeholt. Personen, die letztendlich die entwickelten Werkzeuge vorrangig nutzen und bedienen werden, hat leider nicht stattgefunden, sodass deren Einschätzungen nicht berücksichtigt werden konnten.

Über Impact, gefördert über Erasmus+, konnten drei Studierende den Workshop Breaking the Surface in Biograd na Moru, Kroatien für eine Woche besuchen.

Zu diesem Workshop mit einem gewissen Konferenzcharakter gehörten wissenschaftliche Vorträge, Tutorien, Unternehmensvorstellungen und Live-Demonstrationen von Unternehmen, die Meerestechnik vertreiben. Programm und Vortragsaufzeichnungen finden sich auf der Website der Breaking the Surface.

Durch dieses Programm war es uns zudem möglich, zusätzliche professionelle CFD-Tools zu nutzen.