Wissenschaftler entdecken eine Möglichkeit, schwebende Sedimentschichten zu bilden

Auch wenn in Reisebroschüren etwas anderes behauptet wird, ist der Ozean alles andere als kristallklar: Partikel von Feinstaub – Sedimente, Nährstoffe und sogar winzige Lebensformen – durchdringen die Wassersäule. Dieses Material aggregiert gelegentlich zu Schichten, von denen einige in mittleren Wassertiefen verbleiben und sich seitlich über Hunderte von Kilometern erstrecken können.

Früher ging man davon aus, dass solche Schichten hauptsächlich durch Stürme am Meeresgrund oder Gezeitenströmungen entstehen, doch können solche Schichten auch durch Unterwasserausbrüche von Gas entstehen, wie Forscher nun im Labor gezeigt haben. Obwohl es abzuwarten bleibt, ob diese Ergebnisse auf die Natur übertragen werden können, deuten sie auf einen bisher unbekannten Mechanismus hinter einem häufig beobachteten Meeresphänomen hin.

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Chaoqi Zhu, ein Geoumwelt-Ozeanograph an der Ocean University of China in Qingdao, und seine Kollegen hatten nie vor, diese sogenannten Nepheloidschichten zu untersuchen. (Ihr Name leitet sich vom altgriechischen Wort nephos ab, was „Wolke“ bedeutet.) Stattdessen führten die Forscher Laborexperimente in einem 400-Liter-Wassertank durch, um zu verstehen, wie Erdbeben und Gasausflüsse Unterwasser-Erdrutsche und andere Formen von Meeresbodeninstabilitäten verursachen könnten . Als das Team jedoch mit einem Luftkompressor Gas in den Boden seines Tanks einführte, waren sie überrascht von dem, was sie sahen.

Das Wasser wurde zunächst trüb. Das machte Sinn, weil das Team zuvor Schichten aus Sand und Ton in Form eines Keils über die Hälfte des Tankbodens gelegt hatte und dieses Material durch die Belüftung verdrängt wurde. Doch schon bald darauf bildete sich in Bodennähe des Beckens eine etwa 15 Zentimeter dicke Schwebstoffschicht. Diese untere Nepheloidschicht glitt die ungefähr 16°-Neigung des Keils hinunter, bevor sie sich ungefähr auf halber Tiefe des Tanks löste und sich dann horizontal bewegte, bis sie das andere Ende des Tanks erreichte, stellte das Team fest. Zu diesem Zeitpunkt wurde es leicht dünner und erreichte eine Breite von etwa 10 Zentimetern. Die Forscher hatten versehentlich eine nepheloide Zwischenschicht gebildet.

Das sei das erste Mal gewesen, dass im Labor durch Gasausbrüche eine nepheloide Zwischenschicht entstanden sei, sagte Zhu, der die neue Forschung mit Yonggang Jia, einem Ozeanographen ebenfalls an der Ocean University of China, leitete. Dies war ein unerwarteter Befund, wenn man bedenkt, dass seit langem angenommen wird, dass die Vermischung im oberen Bereich des Ozeans und nicht ein Prozess, der unter dem Meeresboden seinen Ursprung hat, für die Bildung von nepheloiden Zwischenschichten verantwortlich ist.

„Nepheloide Schichten können die Ernährung der Fauna, die Verteilungsmuster und die Funktion mariner Ökosysteme beeinflussen.“

„Es handelt sich um einen neuen Mechanismus für die Bildung intermediärer Nepheloidschichten“, schrieb Zhu in einer E-Mail. Die Forscher berichteten über ihre Ergebnisse im Journal of Oceanology and Limnology.

Zwischennepheloide Schichten sind in den Weltmeeren weit verbreitet – sie bilden sich in Tiefen von etwa 100 Metern bis zu Tausenden von Metern und können Stunden bis Jahre in der Wassersäule verbleiben, schrieb Zhu.

Diese transienten Strukturen spielen nicht nur beim Transport von Sedimenten, sondern auch beim Transport organischer Stoffe und Nährstoffe eine Schlüsselrolle, wie frühere Untersuchungen gezeigt haben. Zwischennepheloidschichten – und tatsächlich Nepheloidschichten in jeder Tiefe – hätten das Potenzial, die Ökosysteme der Ozeane zu beeinträchtigen, sagte Zhu. „Nepheloide Schichten können die Ernährung der Fauna, die Verteilungsmuster und die Funktion mariner Ökosysteme beeinflussen.“

Auf der Grundlage ihrer Laborbefunde vermuteten Zhu und seine Kollegen, dass unter Wasser auftretende Gaseruptionen für einige der in der Natur vorkommenden nepheloiden Zwischenschichten verantwortlich sein könnten. Solche Ausbrüche könnten von Gashydraten und Schlammvulkanen herrühren, schlugen die Forscher vor.

Gashydrate sind Lagerstätten für gefrorenes Wasser, das von eingeschlossenen Gasen, am häufigsten Methan, durchdrungen ist. Sie befinden sich unter dem Meeresboden und sind bei niedrigen Temperaturen stabil, neigen aber zum Schmelzen, wenn die örtlichen Bedingungen wärmer werden. Dabei zerfallen sie in Wasser und Gas, und letzteres sickert nach oben durch den Meeresboden. Forscher haben geschätzt, dass derzeit weltweit Billionen Kubikmeter Methan in Gashydraten eingeschlossen sind.

Schlammvulkane sind eine weitere potenzielle Gasquelle in der Tiefsee. Es ist bekannt, dass diese Gebäude Gase wie Methan und Kohlendioxid ausstoßen und Sedimente vom Meeresboden abheben. Es wird angenommen, dass es weltweit Tausende von unterseeischen Schlammvulkanen gibt.

Die Idee, dass Unterwassereruptionen für einige der nepheloiden Schichten des Ozeans verantwortlich sein könnten, sei faszinierend, sagte Wilford Gardner, ein Ozeanograph an der Texas A&M University in College Station, der nicht an der Forschung beteiligt war. Diese Strukturen seien typischerweise mit Störungen viel weiter oben in der Wassersäule verbunden, sagte er.

Im Jahr 2009 zeigten Gardner und seine Kollegen, dass der nahegelegene Hurrikan George Sedimente vom Meeresboden im Golf von Mexiko abhob. „Energie kann sich bis zum Boden ausbreiten“, sagte Gardner. Es sei jedoch nicht bekannt, ob Gasausbrüche, die unter dem Meeresboden entstehen, einen ähnlichen Effekt haben könnten, sagte er.

Gardner stellte jedoch eine Inkonsistenz zwischen dem Versuchsaufbau der Forscher und den realen Bedingungen fest: Die Flüssigkeit, die Zhu und seine Kollegen in ihrem Experiment verwendeten – normales Leitungswasser – war nicht geschichtet. Das stimmt nicht mit den Bedingungen im echten Ozean überein, da die Wassertemperatur und der Salzgehalt natürlich schwanken, sagte Gardner. „Dem kann man nicht entkommen.“

–Katherine Kornei (@KatherineKornei), Mitwirkende Autorin