// SCINEXX — SPAZIO & SCIENZA
Klangmuster der Arktis für bessere Fernüberwachung kartiert
Unter der Beaufortsee ist es alles andere als still: Eine siebenjährige Messreihe zeigt, dass Meereis, Wind und Wellen die tiefen Frequenzen im Jahreslauf grundlegend verändern. Diese akustischen Jahreszeiten entscheiden mit darüber, welche Erdbeben, Schiffsgeräusche oder andere entfernte Ereignisse aus dem Hintergrundrauschen herausragen und wie empfindlich hydroakustische Überwachung sein kann.
Los Alamos (U.S.A.). Unter Wasser können sich Schallwellen über große Entfernungen ausbreiten. Doch ob ein weit entferntes Signal an einem Hydrophon noch auffällt, hängt nicht nur von seiner Stärke und seinem Weg durch den Ozean ab. Ebenso wichtig ist, wie laut der akustische Hintergrund am Messort gerade ist.
Gerade in der Arktis ist dieses Hintergrundrauschen stark vom Jahreslauf geprägt. Offenes Wasser, Sturmwellen und Schiffe erzeugen andere Geräusche als eine geschlossene, vom Wind verformte Eisdecke. Für die Überwachung bedeutet das: Die Schwelle, oberhalb derer sich ein Erdbeben oder eine andere Quelle zuverlässig erkennen lässt, verändert sich mit den Umweltbedingungen.
Forscher des Los Alamos National Laboratory (LANL) um Siobhan Niklasson haben diese Schwankungen nun anhand einer ungewöhnlich langen Messreihe untersucht. Grundlage waren fast kontinuierliche Aufnahmen der Station NRS-01 im Beaufortmeer nördlich von Alaska. Das Hydrophon gehört zum Ocean Noise Reference Station Network der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) und hing je nach Einsatz in rund 400 bis 500 Metern Tiefe.
Vier nacheinander eingesetzte Instrumente lieferten zwischen 2014 und 2022 insgesamt sieben Jahre Daten, mit einer längeren Unterbrechung von August 2017 bis September 2018. Das Team konzentrierte sich auf Frequenzen von 1 bis 125 Hertz, in denen unter anderem regionale Erdbeben und andere impulsartige Ereignisse auftreten können. Ein Instrument aus den Jahren 2015 bis 2017 zeigte bei tiefen Frequenzen ein auffälliges Eigenverhalten. Deshalb schlossen die Forscher diese Messperiode aus mehreren jahresübergreifenden Mittelwerten und Regressionsanalysen aus.
Besonders klar war der Wechsel im Bereich von 1 bis 2 Hertz. Dort folgte der Schallpegel einem jährlichen Rhythmus: Bei wenig Eis war es laut, bei geschlossener Eisdecke deutlich ruhiger. Im Mittel sank der Pegel in diesem Frequenzband um etwa drei Dezibel, wenn die regionale Meereiskonzentration um zehn Prozentpunkte zunahm. Die Forscher führen den sommerlichen Anstieg vor allem auf stärkere Meereswellen zurück, die sich über größere offene Wasserflächen entwickeln können.
Bei 15 bis 125 Hertz zeigte sich dagegen ein halbjährlicher Rhythmus. Sowohl Zeiten mit wenig Eis als auch Monate mit voller Eisdecke waren vergleichsweise laut. Die Übergangsphasen während Schmelze und Zufrieren waren leiser, wobei die Schmelzperiode im Mittel die ruhigste Phase war. Der Grund für die Wintergeräusche ist ein anderer als im Sommer: Dann erzeugt vom Wind bewegtes und verformtes Meereis einen großen Teil des Schalls.
Auch innerhalb einer Saison spielte das Wetter eine deutliche Rolle. Bei wenig Eis stiegen die gemessenen Schallleistungen mit Windgeschwindigkeit und Wellenhöhe. Damit lässt sich ein Teil der kurzfristigen Schwankungen im Unterwasserlärm aus den jeweiligen Umweltbedingungen erklären.
Neben natürlichen Quellen hinterließen auch seismische Messkampagnen klare Spuren. Solche Untersuchungen nutzen sogenannte Luftkanonen, die wiederholt Druckluft ins Wasser abgeben, um den Untergrund akustisch abzubilden. Während eisarmer Perioden waren diese Impulse vor allem zwischen etwa 4 und 30 Hertz eine bedeutende zusätzliche Lärmquelle.
Unter günstigen Bedingungen registrierte NRS-01 die Energie besonders starker Luftkanonenschüsse noch aus mehr als 900 Kilometern Entfernung. Zugleich zeigten die Vergleiche zweier bekannter Messkampagnen, dass nicht allein die Distanz zählt. Unterseeische Rücken und andere komplexe Formen des Meeresbodens schwächten die ankommenden Signale zusätzlich.