DE19609278C2

DE19609278C2 - Meßverfahren zur Langzeitbestimmung der Dickenänderung einer Eisscholle und Vorrichtung zu seiner Durchführung

Info

Publication number: DE19609278C2
Application number: DE1996109278
Authority: DE
Inventors: Helmut Tueg
Original assignee: Alfred Wegener Insitut fuer Polar und Meeresforschung
Current assignee: Alfred Wegener Insitut fuer Polar und Meeresforschung
Priority date: 1996-03-02
Filing date: 1996-03-02
Publication date: 2003-01-30
Anticipated expiration: 2016-03-03
Also published as: DE19609278A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Messverfahren zur Langzeitbestimmung der Dickenänderung einer Eisscholle, die im Wasser treibt, und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Messverfahrens mit einer Energieversorgungs- und einer Datenübertragungseinrichtung.

Für Modellrechnungen zur Klimaentwicklung ist der Wärmetransport vom Ozean in die Atmosphäre und umgekehrt von großer Bedeutung. In diese Berechnun gen ist als besonders wichtiger Einflussfaktor der Wärmetransport durch das Meereis in den Polargebieten einzubeziehen. Die Eisschollen stellen für den Wärmeübergang zwischen Ozean und Atmosphäre eine isolierende Schicht dar. Dabei verändern die Eisschollen, die an der Meeresoberfläche mit der Strömung und dem Windfeld driften, je nach Wasser- und Lufttemperatur ihr Isolations verhalten durch Veränderung ihrer Dicke aufgrund von Anfrier- und Abschmelzprozessen und von Schneezu- und abtrag. Deshalb wird seit Jahren versucht, die Bildung und das Abschmelzen von Meereis in den Polargebieten zu messen. Hierzu ist es erforderlich, die Dickenänderungen des Meereises über längere Zeiträume hin kontinuierlich zu registrieren. Zur Bestimmung eines solchen Langzeitverhaltens der Eisschollen müssen die Messungen weitgehend automatisiert sein. Dies erfolgt in der Praxis durch automatische Übertragung der Messergebnisse via Satellit an die jeweilige forschende Institution, überwiegend wird dazu das Argos-System eingesetzt.

Aus der US 4 287 472 ist ein gattungsgemäßes Messverfahren bekannt, bei dem zur Bestimmung der Dickenänderung der elektrische Widerstand der Eisscholle an einer stabförmigen Messapparatur, die durch die Eisscholle hindurch bis in das Wasser geführt ist, gemessen wird. Bei auftretenden Dickenänderungen erfolgt eine Änderung des Gesamtwiderstandes an der Messapparatur, da der elektrische Widerstand von Wasser anders ist als der von Eis. Aus der Zusammenfassung der JP 58-223 704 A ist ein elektromagne tisches Messverfahren bekannt, bei dem in der Eisscholle in einer primären Messspule weitere Messspulen mit einer Ausrichtung auf die Eisoberfläche angeordnet werden. Die Primärspule wird zur Erzeugung eines elektro magnetischen Feldes mit einem Hochfrequenzstrom beaufschlagt. Die dadurch hervorgerufenen Phasenverschiebungen in den Sekundärspulen in Abhängigkeit von deren Abstand zur Eisoberfläche sind dann das Maß für die Dicke der Eisscholle im Bereich der Messpulen. Weiterhin unterscheidet man noch zwischen akustischen und optischen Messverfahren. Bei den akustischen Messverfahren sendet beispielsweise ein unter der Eisscholle im vorgegebenen Abstand von der Unterkante der Scholle montierter akustischer Geber (sogenannter Pinger) einen kurzen Schallimpuls, über dessen Laufzeit zur Unterkante der Eisscholle und zurück der Abstand zur Eisunterkante und damit die Veränderung der Dicke berechnet wird. Ein derartiges Messverfahren ist beispielsweise aus der Zusammenfassung der JP 62-124 480 A bekannt. Bei den optischen Messverfahren kann man entweder die Laufzeit eines Laserpulses ähnlich wie bei dem akustischen Verfahren messen oder die Entfernung wie bei automatischen Kameras nach dem sogenannten Triangulationsprinzip bestimmen.

Neben den Messverfahren direkt für Eisschollen sind auch noch verschiedene Anordnungen zum Nachweis von Vereisungen bekannt. In der DE 44 26 227 A1 wird ein Sensor zur Erfassung der Schichtdicke an einem von Flüssigkeit umströmten Kühlkörper offenbart. Dazu weist der Sensor einen Hohlkörper mit einem Ausdehungsfluid auf, auf das die Vereisungsschicht einen zunehmenden Druck ausübt, der als Maß für die Schichtdicke angenommen wird. Aus der DE 26 24 939 A1 ist eine Vorrichtung zur Anzeige der Vereisungsrate an Flugzeugen bekannt, bei der ein vereisende Testfläche mit zwei Gasleitungen mit einem geregelten Gasduchsatz in Verbindung steht. An den Enden beider Leitungen befinden sich Kapillaröffnungen. Der Bezugsdruck wird in der ersten Leitung definiert, wenn kein Eis an der Testfläche vorhanden ist und die erste Kapillaröffnung ungedrosselt ist. Eine Gasdruckdifferenz zwischen den beiden Leitungen, die bei Drosselung der beiden Leitungen an ihren Kapillaröffnungen durch Eisbildung auftritt, ist das Maß für eine auftretende Vereisung. Aus der EP 0 626 572 A1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung von Druckmessungen in Erdölbohrschächten mit einem stoßsicheren Differenzdruckgeber mit einer verformbaren Membran, die einen Durchlass gegenüber einer mit Silikon gefüllten Anschlussleitung dicht verschließt, bekannt. Die Membran wird dadurch mit einer Fluidsäule einer bestimmten Höhe belastet und ausgelenkt, was ein Maß für den auftretenden Druck darstellt. Zu große Membranauslenkungen durch auftretende Stöße in der Fluidsäule werden durch Auskopplung vermieden.

Alle genannten Verfahren zum Messen der Dickenänderung einer Eisscholle haben den großen Nachteil, dass sie relativ ungenau sind (Fehler mehrere cm) und dass sie die Dicke der Eisscholle nur lokal an einem Punkt messen, der bereits rein statistischen Schwankungen unterliegt. Eisschollen sind zudem an ihrer Unterseite selten glatt und zeigen meist eine sehr raue Struktur. Außerdem werden bei diesen Verfahren Ereignisse, die sich auf der Oberseite der Eisscholle abspielen, wie beispielsweise Abschmelzen oder Schneezutrag, nicht berücksichtigt. Geber, die sich an der Schollenunterseite befinden, können im allgemeinen nach dem Aussetzen weder gewartet noch wieder geborgen werden

Das technische Problem, mit dem sich die Erfindung befasst, besteht daher darin, ein Messverfahren für den oben genannten Zweck anzugeben, das eine Bestimmung der Dickenänderung der gesamten Eisscholle unabhängig von lokalen Ereignissen, aber unter Berücksichtigung von Vorgängen auf der Schollenoberseite erlaubt. Zudem soll es über einen langen Messzeitraum sehr genau und stabil, aber trotzdem einfach ausführbar und damit kostengünstig in den Mitteln zu seiner Durchführung sein, gerade im Hinblick auf deren unzugängliche Positionierung und möglichen Verlust nach Beendigung der Messarbeiten.

Die erfindungsgemäße Lösung für ein Messverfahren basiert deshalb auf einer Messung des Differenzdrucks zwischen dem Luftdruck oberhalb und dem Wasserdruck unterhalb der Eisscholle mit konstantem Bezug auf einen vorgegebenen Fixpunkt innerhalb der Eisscholle unter Berücksichtigung der Lufttemperatur.

Die Grundlage des erfindungsgemäßen Messverfahrens bildet das Verhalten einer Eisscholle im Wasser, wenn diese ihre Dicke ändert. Aufgrund ihrer Dichte ragt eine Eisscholle immer mit ca. 1/7 ihrer Dicke aus dem Wasser, während ca. 6/7 unter der Wasseroberfläche sind. An diesem Verhältnis ändert sich nichts. Eine Veränderung der Dicke der Eisscholle führt deshalb nur zu einer Verschiebung des Fixpunkts, der lokal innerhalb der Eisscholle fixiert ist und auf den die Differenzdruckmessung konstant bezogen ist. Dadurch verschieben sich auch die Messorte für den Luft- und den Wasserdruck, die durch den konstanten Bezug immer denselben Abstand zum Fixpunkt haben. Insbesondere die Veränderung des Wasserdrucks bewirkt eine Änderung des gemessenen Differenzdrucks, die damit ein Maß für die Dickenänderung der Eisscholle ist. Durch das Registrieren des Schwimmverhaltens der gesamten Scholle handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Messverfahren um ein integrierendes Messverfahren, das automatisch einen repräsentativen Durchschnittswert für die Schollendicke liefert. Dabei ist die Messung hochauflösend, d. h. es können bereits Eisdickenunterschiede von Bruchteilen eines Millimeters gemessen werden. Das Langzeitverhalten des Messverfahrens ist optimal. Sich wiederholende Einstell- und Wartungsarbeiten sind nicht durchzuführen. Die hohe Genauigkeit der Differenzdruckbildung ist über einen langen Messzeitraum gewährleistet.

Gleichzeitig bietet das erfindungsgemäße Verfahren eine sichere Methode zur Erfassung von Oberflächeneffekten, wie beispielsweise Schneezutrag auf der Eisschollenoberfläche. Schnee spielt für den Wärmeübergang zwischen Wasser und Atmosphäre ebenfalls eine wichtige Rolle. Schneezutrag führt zu einem Absinken des Fixpunktes und damit zu einem Absinken der Messpunkte. Ein Druckanstieg auf der Wasserseite wird registriert. Schmelzvorgänge bewirken entsprechend das Gegenteil. Dabei ist das erfindungsgemäße Verfahren derart empfindlich, dass sogar noch Raureifbildung von 0,1 mm Stärke an der Oberfläche der Scholle nachgewiesen werden kann.

Eine zu berücksichtigende Eigenschaft des Messverfahrens stellt die unterschiedliche Gewichtung der einzelnen Effekte an der Ober- und an der Unterseite der Eisscholle dar. Dazu ist die Kenntnis der Lufttemperaturwerte in Zuordnung zu den gemessenen Differenzdrücken erforderlich. Vorgänge auf der Schollenoberseite haben eine fast sechsmal stärkere Auswirkung auf die Lage des Fixpunktes als Vorgänge an der Schollenunterseite. Beispielsweise bewirken 7 cm Niederschlag der Dichte 1 auf der Oberseite ein Absinken der Scholle um fast 6 cm, dagegen bewirken 7 cm Anfrieren an der Unterseite nur ein Heben um ca. 1 cm. Außerdem heben sich die Vorgänge an der Ober- und Unterseite mit den Vorzeichen gegenseitig auf, so dass theoretisch ein Fall denkbar wäre, wo ein Niederschlag auf der Oberseite durch ein Anfrieren auf der Unterseite so kompensiert wird, dass keine Verschiebung des Fixpunktes erfolgt. Damit ergäbe sich keine Änderung des gemessenen Differenzdrucks und die Folgerung wäre eine Konstanz der Dicke, obwohl die Eisscholle in ihrer Dicke signifikante Änderungen erfahren hat. Eine derartige Kompensation ist jedoch in der Praxis noch nicht aufgetreten. Die beschriebenen einzelnen Fälle lassen sich aber durch zeitliche Betrachtungen und Plausibilität in Kenntnis der zugehörigen Lufttemperaturwerte einfach voneinander unterscheiden. Schnee zutrag lässt sich beispielsweise vom Eiswachstum dadurch unterscheiden, dass er wesentlich schneller erfolgt als das Anfrieren von Wasser. Kurzzeitige Zuwachsraten der Eisdicke sind damit auf Schnee, langsame Zuwachsraten auf Anfrieren an der Eisunterkante zurückzuführen. Bei Lufttemperaturen über 0°C sind Abschmelzvorgänge an der Oberseite zu erwarten. Ferner kann bei solchen Temperaturen an der Unterseite der Eisscholle kein Anfrieren stattfinden. Für die Vorgänge an der Unterseite ist im übrigen ausschließlich die Lufttemperatur verantwortlich, diese finden nur aufgrund von Wärmeleitung durch das Eis statt.

Die Meerwassertemperatur liegt konstant bei ungefähr -1,8°C und hat keinen Einfluss auf die Eisbildung.

Nach einer Fortführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine zusätzliche Messung weiterer meteorologischer Parameter vorgesehen. Hierzu zählen insbesondere der Atmosphärendruck, die Luftfeuchte, die Windgeschwindigkeit und die Meerwassertemperatur. Damit lassen sich alle unterschiedlichen Effekte an der Ober- und Unterseite der Scholle sicher voneinander unterscheiden und die Messergebnisse optimal auswerten. Die Messung des Luftdrucks dient dabei der Aussage, ob ein Hoch- oder Tiefdruckgebiet vorliegt, so dass auf entsprechende Niederschläge rückgeschlossen werden kann. Für die Differenz druckmessung ist dieser ohne Bedeutung, da er sich auf beide Messorte auswirkt und damit in der Differenzbildung kompensiert wird. Durch die Kenntnis noch anderer meteorologischer Parameter kann auch auf deren möglichen Einfluss bei der Auswertung der Messergebnisse rückgeschlossen werden.

Das Grundprinzip des Messverfahrens nach der Erfindung ist die auf den Fixpunkt bezogene sensible Differenzdruckmessung. Dabei befindet sich der Fixpunkt innerhalb der Eisscholle. Er könnte sich auch ober- oder unterhalb von ihr befinden, ist dort aber keinesfalls so geschützt und sicher fixiert, außerdem verlängern sich die Messwege zu den Messpunkten und erschweren sich die Abgleicheinstellungen. Der Ort im Innern liegt zentral zwischen beiden Messorten. Um eine einheitliche, einfach wiederholbare Lage des Fixpunktes zu erreichen, ist es nach einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messverfahrens besonders sinnvoll, den Fixpunkt in die Höhe des Wasser spiegels zu legen. Dort befindet er sich mit Sicherheit innerhalb der Eisscholle, auch wenn diese stark abschmilzt, aber nicht zu weit unten, so dass er einfach zugänglich bleibt. Ebenso kann er auch kurz unterhalb des Wasserspiegels liegen.

Ein besonderer Vorteil des Messverfahrens nach der Erfindung ist, dass es einfach zu realisieren ist. Dazu sieht eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die mit einer Energieversorgungs- und eine Datenübertragungseinrichtung ausgerüstet ist, einen Differenzdrucksensor vor, der einen luftgefüllten und einen ölgefüllten Anschlussschlauch aufweist. Derartige Differenzdrucksensoren sind handels übliche und preiswerte Messwertaufnehmer, die es in den unterschiedlichsten Messwertbereichen je nach Anwendungsfall auf dem Markt gibt. Besonders gebräuchlich sind robuste Zweikammerausführungen mit einer zwischenge schalteten Messmembran, deren differenzdruckbedingte Auslenkung in ein Spannungssignal umgewandelt wird. Der Differenzdrucksensor bildet den Ort des Fixpunktes für die Differenzdruckmessung. Seine Positionierung in der Eisscholle legt damit den Fixpunkt fest. Der luftgefüllte Schlauch dient der Druckmessung der Luft, der ölgefüllte der Messung des Wasserdrucks. Ihre Längen legen den konstanten Bezug zum Festpunkt für die Messorte fest. Die Ölfüllung, insbesondere mit Silikonöl mit einer von Dichte 0,95 g/cm³, verhindert ein Gefrieren des druckübertragenden Mediums. Der Auftriebsdruck, den das Silikonöl gegenüber dem schwereren Seewasser erzeugt, kann am Differerenz drucksensor einfach abgeglichen werden.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Schutzumhüllung des freien Endes des luftgefüllten Anschlussschlauches vorgesehen. So werden Messwertverfälschungen durch schnelle atmosphä rische Druckschwankungen, beispielsweise durch Windwirbel, vermieden. Eine derartige Schutzumhüllung kann im einfachsten Fall aus einem porösen luftdurchlässigen Schaumstoff bestehen. Wird das Schlauchende noch zusätz lich im leichten Pulverschnee auf der Eisscholle vergraben, können kaum noch Nebeneffekte auftreten. Günstiger ist es jedoch, wenn nach einer weiteren Ausgestaltung das freie Ende des luftgefüllten Anschlussschlauches in einer luftdurchlässigen Batteriekiste auf der Eisscholle als Energieversorgungs einrichtung angeordnet ist. Damit ist der Messort für den Luftdruck sicher vor Wind, starkem Schneefall, Vereisung und Schmelzwasser geschützt und örtlich genau zum Fixpunkt festgelegt.

Die relative Fixierung des Messorts für den Wasserdruck in konstantem Bezug auf den Fixpunkt kann erfindungsgemäß durch ein an einem Faden befestigtes Lotgewicht am freien Ende des ölgefüllten Anschlussschlauches erfolgen. Durch das Gewicht wird der Schlauch gestreckt und in lotrechter Position gehalten. Wasserströmungen bleiben nunmehr ohne Einfluss. Der Faden kann bevorzugt aus Kevlar sein, einem äußerst strapazierfähigem Material. Die Fadenlänge kann im Bereich einiger Meter liegen, der Faden kann bevorzugt ca. 4 m lang ein. Dabei kann gemäß einer Fortführung der Erfindung der ölgefüllte Anschlussschlauch eine solche Länge aufweisen, dass sein freies Ende etwa 2 m unterhalb der Eisschollenunterseite anordenbar ist. In diesem Bereich sind störende Einflüsse durch die Unterseite der Eisscholle oder eine Umschließung mit Eis sicher ausgeschlossen. Der Schlauch kann bevorzugt aus Teflon sein, einem widerstandsfähigem Material, an dem sich keine Ablagerungen bilden können. Außerdem erleichtert es durch seine ausgezeichneten Gleiteigen schaften eine mögliche Rückholung des Differerenzdrucksensors mit seinen Anschlüssen. Ein flexibler Schlauch ist bei der Installation des Sensors leichter zu handhaben, es kann jedoch auch ein Teflon- oder Karbonrohr verwendet werden, dass eine einfachere Fixierung des Messorts im Wasser ermöglicht.

In Fortführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Differenzdrucksensor in einem druckfesten Schutzbehälter angeordnet, der Durchführungen für die Anschlussschläuche und weitere Leitungen aufweist. Der Schutzbehälter schützt zum einen den Differerenzdrucksensor vor äußeren Einflüssen, er trägt jedoch auch zu einer einfachen Positionierung des Sensors als Fixpunkt in der Eisscholle und der Anschlussschläuche bei. Der Schutzbehälter kann in Form einer kleinen Tonne mit einem Außendurchmesser im Bereich von 10 cm ausgebildet sein. Die Durchführungen für die weiteren Leitungen können für die Energieversorgung und Datenleitung vorgesehen sein, außerdem kann er einen Dreiwegehahn zur Befüllung des ölgefüllten Anschlussschlauches und Befesti gungsmittel aufweisen.

Vorteilhafterweise ist nach der Erfindung der Schutzbehälter mittels verstellbarer Stangen an eine mit einer Eisauflagefläche versehene Behälterhalterung befestigbar und in eine Durchgangsbohrung in der Eisscholle bis kurz unter den Wasserspiegel absenkbar. Die Eisauflagefläche kann dabei bevorzugt ringförmig und isoliert sein. Durch die Behälterhalterung kann der Schutzbehälter einfach in eine Bohrung in der Eisscholle abgesenkt werden. Bis zur gewünschten Position des Behälters muss die Bohrung einen etwas größeren Durchmesser, beispiels weise ca. 12 cm aufweisen, darunter kann sie einen kleineren Durchmesser haben. Einfacher ist es aber, auch für das Absenken des ölgefüllten Schlauchs mit dem Lotgewicht, eine konstante Durchgangsbohrung vorzusehen. Die ringförmige Eisauflagefläche sichert die Behälterhalterung relativ zur Eisoberfläche. Zumindest bis der Schutzbehälter wieder im Eis eingefroren ist, was durch eine Verfüllung des Bohrlochs mit Schnee nach dem Einbringen des Behälters beschleunigt werden kann, ist eine gute Fixierung des Behälters in der Eisscholle nötig. Ein Einsinken der Behälterhalterung in die Eisscholle während des Langzeitbetriebes, beispielsweise durch Sonnenerwärmung des Ringes, der insbesondere aus Aluminium besteht, kann durch die Isolation zur Eisober fläche, beispielsweise durch eine Schicht Styropor, zuverlässig verhindert werden. Durch die Möglichkeit der Höhenverstellung des Schutzbehälters über die verstellbaren Stangen können kleinere Verschiebungen ausgeglichen werden. Die Justage kann über Einmessen mit einem spannungsbeaufschlagten Multimeter erfolgen. Bei Erreichen einer vorgegebenen Spannung hat der Behälter die richtige Position eingenommen. Diese kann bevorzugt kurz unterhalb des Wasserspiegels liegen, um die weiter oben bereits erwähnten Aspekte einhalten zu können. Außerdem verringert sich damit das Risiko, dass der geöffnete ölgefüllte Anschlussschlauch nach dem Einbringen des Schutzbehälters nochmals über den Wasserspiegel und damit in Kontakt mit Luft gerät.

Eingangs wurde bereits erwähnt, dass für die Durchführung von Langzeit messungen die ermittelten Daten über Satellitensysteme (z. B. Argos) zu den Forschungsinstituten übermittelt werden können. Entsprechend einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es daher vorteilhaft, wenn der Differenzdrucksensor über einen Datenanschluss an eine auf der zu vermessenden Eisscholle positionierbaren meteorologischen Boje mit Satelliten verbindung als Datenübertragungseinrichtung verfügt. Die erforderlichen Lang zeitmessungen können so in einfacher Wiese durchgeführt werden. Die an sich bekannte meteorologische Boje verfügt über zusätzliche Messeinrichtungen zur Messung von Temperatur und Druck der Luft, so dass die für eine Interpretation der Langzeitmessungen erforderlichen Aussagen über das jeweilige Wetter automatisch mitübertragen werden können. Dabei können aus Redundanz gründen beispielsweise zwei Messvorrichtungen zur Langzeitbestimmung der Dickenänderung einer Eisscholle einer gemeinsamen meteorologischen Boje zugeordnet sein.

Das erfindungsgemäße Messverfahren und eine Ausbildungsform einer Messvorrichtung zur Durchführung des Messverfahrens werden nachfolgend anhand der Figuren, die teilweise schematisiert dargestellt sind, näher erläutert.

Dabei wird das erfindungsgemäße Messverfahren in einer Prinzipdarstellung gezeigt gemäß:

Fig. 1 im Ausgangszustand vor Beginn einer Messreihe,

Fig. 2 für eine Dickenzunahme an der Schollenunterseite,

Fig. 3 für eine Dickenzunahme an der Schollenoberseite,

Fig. 4 für eine Dickenabnahme an der Schollenunterseite und

Fig. 5 für eine Dickenabnahme an der Schollenoberseite.

Weiterhin zeigt:

Fig. 6 die erfindungsgemäße Messvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform in aktiviertem Zustand,

Fig. 7 ein Messprotokoll für eine Dickenänderung aufgrund von Oberflächeneffekten und

Fig. 8 ein Messprotokoll für eine Dickenänderung aufgrund von Anfrieren auf der Schollenunterseite.

In Fig. 1 ist ein Ausgangszustand der Verhältnisse vor Beginn einer Messreihe an einer ausschnittsweise gezeigten Eisscholle 1 dargestellt. Die Eisscholle 1 weist eine Dicke D₀ auf. Aufgrund der Dichteverhältnisse zwischen Eis und Wasser befindet sich 1/7 D₀ mit einer Schollenoberseite 2 oberhalb eines Wasserspiegels 3, während sich 6/7 D₀ mit einer Schollenunterseite 4 darunter befinden. Dieses Verhältnis ist konstant. Innerhalb der Eisscholle 1 liegt ein Fixpunkt 5 in einem hier frei gewählten Ausgangsabstand I₀ zum Wasserspiegel 3. Der Abstand I₀ wurde hier größer als in der Praxis gewählt, um in der Darstellung die Änderungen noch sichtbar werden zu lassen, ohne dass der Fixpunkt 5 in Fig. 5 oberhalb der Schollenoberseite 2 erscheint. In diesem Fixpunkt 5 wird ein Differenzdruck Δp₀ im Ausgangszustand gemessen. Diese ist das Maß für die Dicke D₀ der Eisscholle 1, wenn die Messreihe beginnt. In einem konstanten Abstand I₁ zum Fixpunkt 5 wird der Wasserdruck p_W unterhalb der Eisscholle 1 gemessen und in einem konstanten Abstand I₂ zum Fixpunkt 5 der Luftdruck p_L oberhalb der Eisscholle 1. Die Abstände I₁ und I₂ ändern sich während der gesamten Messreihe nicht, sie haben einen konstanten Bezug auf den Fixpunkt 5.

Die Fig. 2 und 3 beziehen sich auf den übergeordneten Fall einer positiven Änderung ΔD_p (Zunahme) der Dicke D₀ der Eisscholle 1, die Fig. 4 und 5 beziehen sich auf den übergeordneten Fall einer negativen Änderung ΔD_n (Abnahme).

In Fig. 2 wird die Eisscholle 1 um das Maß ΔD_p dicker durch Eisbildung 6 an der Schollenunterseite 4. Entsprechend einer Anhebung der Eisscholle 1 um 1/7 von der Dickenzunahme ΔD_p wird eine negative Differenzdruckänderung Δp_n gegenüber dem Differenzdruck Δp₀ im Ausgangszustand gemessen. In Fig. 3 wird die Eisscholle 1 um das Maß der Dickenzunahme ΔD_p dicker durch Schneezutrag 7 auf der Schollenoberseite 2. Entsprechend einer Absenkung der Eisscholle 1 um 6/7 von der Dickenzunahme ΔD_p wird eine positive Differenzdruckänderung Δp_p gegenüber dem Differenzdruck Δp₀ im Ausgangszustand gemessen. Es ergeben sich also unterschiedliche Messergebnisse, obwohl die Dickenzunahme ΔD_p in beiden Fällen gleich ist. Diese können aber ohne Schwierigkeiten richtig interpretiert werden, wenn man die Schnelligkeit der Dickenänderung ΔD_p betrachtet (Schneezutrag erfolgt wesentlich schneller als Eisbildung) und zusätzliche Informationen über die Umgebungstemperaturen und -drücke, beispielsweise durch die Datenauswertung einer meteorologischen Boje, zur Plausibilitätsbetrachtung hinzuzieht. Schließlich kann auch die Erfah rung der auswertenden Person eine Rolle spielen, die die Wetterverhältnisse im Polareis kennt.

Gleiches gilt für die Fig. 4 und 5 mit der negativen Änderung ΔD_n (Abnahme) der Dicke D₀ der Eisscholle 1. In Fig. 4 wird die Eisscholle 1 um die Dickenabnahme ΔD_n dünner durch Eisabschmelzung 8 an der Schollen unterseite 4. Entsprechend einer Absenkung der Eisscholle 1 um 1/7 von der Dickenabnahme ΔD_n wird eine positive Differenzdruckänderung Δp_p gegenüber dem Differenzdruck Δp₀ im Ausgangszustand gemessen. In Fig. 5 wird die Eisscholle 1 um die Dickenabnahme ΔD_n dünner durch Schneeabtrag 9 auf der Schollenoberseite 2. Entsprechend einer Abhebung der Eisscholle 1 um 6/7 von der Dickenabnahme ΔD_n wird eine negative Differenzdruckänderung Δp_n gegenüber dem Differenzdruck Δp₀ im Ausgangszustand gemessen. Die Auswertung der Messergebnisse erfolgt wieder nach den gleichen Plausibilitäts erkenntnissen. Die Interpretation kann weiter unten an den Erläuterungen zu zwei Messdiagrammen noch verdeutlicht werden.

Die Fig. 6 zeigt eine Messvorrichtung 10 zur Durchführung des Differenzdruck messverfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform in aktiviertem Einbauzustand. In einem Schutzbehälter 11, der tonnenartig ausgebildet ist, befindet sich ein Differenzdrucksensor 12 des Typs SensSym 142 S 1001 D mit Sensormembran und mit 0 mbar-70 mbar Eingangssignal sowie 0 mV bis 5000 mV Ausgangssignal. Damit darf der maximale Differenzdruck im Bereich +/-30 mbar liegen, entsprechend einer Wassersäule von +/-30 cm. Die Eisschollendicke kann sich also um gut 60 cm verändern. Werden andere Veränderungen erwartet, sind Messsensoren mit größeren Messbereichen auszuwählen.

Man erhält bei der Eisdickenänderung entsprechend den obigen Erläuterungen zum Messverfahren die folgenden Signale:

Der Differenzdrucksensor 12 weist einen luftgefüllten Anschlussschlauch 13 aus Teflon zur Messung des Luftdrucks p_L und einen mit Silikonöl gefüllten Anschlussschlauch 14, ebenfalls aus Teflon, zur Messung des Wasserdrucks p_W auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel bildet das Innere des Schutzbehälters 11 einen Teil des luftgefüllten Anschlussschlauchs 13. Die Verbindung des ölgefüllten Anschlussschlauchs 14 mit dem Differenzdrucksensor 12 wird über einen Dreiwegehahn 15 nach Einbringen des Schutzbehälters 11 in ein Bohrloch 16 in einer Eisscholle 17 hergestellt. Die Streckung des ölgefüllten Anschluss schlauchs 14 an den Messort p_W wird durch ein Lotgewicht 18 bewirkt, das an einem Kevlarfaden 19 am freien Ende 20 des ölgefüllten Anschlussschlauchs 14 befestigt ist. Dieser hat eine Länge von ca. 2 m, der Kevlarfaden 19 ist ca. 4 m lang und das Lotgewicht 18 wiegt ca. 2 kg. Das freie Ende 21 des luftgefüllten Anschlussschlauchs 13 befindet sich in einer Batteriekiste 22 als Versorgungs einrichtung.

Der Schutzbehälter 11 ist über zwei verstellbare Stangen 23 an einer Behälterhalterung 24 befestigt. Durch Verstellung der Stangen 23 mit einer Höhenverstellung 25 kann der Schutzbehälter 11 in seinen Ausgangszustand in Höhe des Wasserspiegels 26 oder kurz darunter gebracht werden. Die Behälterhalterung 24 weist eine ringförmige Eisauflagefläche 27 auf, die an ihrer Unterseite mit einer Isolationsschicht 28 zur Verhinderung von Einschmelzen in das Scholleneis versehen ist. Der Schutzbehälter 11 weist außerdem eine Messelektronik 29 auf, die mit dem Differenzdrucksensor 12, der Batteriekiste 22 und einer meteorologischen Boje 30 verbunden ist. Diese ermittelt zusätzlich die Temperatur und den Druck der Atmosphärenluft und ist mit dem Satelli tensystem "Argos" zur Datenübertragung in das betreuende Forschungsinstitut verbunden.

Die Fig. 7 zeigt ein Messdiagramm zur Entwicklung einer Schollendicke innerhalb eines Zeitraums von 18 Tagen. Die Abszisse ist die Achse für die Zeit t. An der rechten Ordinate ist die gemessene Spannung V in mV als Maß für den erzeugten Differenzdruck als Maß für die erfolgte Dickenänderung aufgetragen. Die Eisscholle, die eine Ausgangsdicke von 1 m hatte, ist in den 18 Tagen um die Dickenzunahme ΔD_p von 3,9 cm dicker geworden (dicke Kurve), angezeigt durch die positive Differenzdruckänderung Δp_p. An der linken Ordinate ist die Temperatur T abgetragen. Der Temperaturverlauf (dünne Kurve) zeigt mäßige Temperaturen im Bereich zwischen -5°C und -10°C. Deshalb kann der Kurvenverlauf für das Schollenwachstum auf reine Oberflächeneffekte, d. h. auf Niederschlag und Kondensation, zurückgeführt werden. Dies steht in Überein stimmung mit dem weiter oben zu Fig. 3 Ausgesagten.

Die Fig. 8 schließlich zeigt den Kurvenverlauf der Eisdicke über einen längeren Zeitraum von 4 Monaten (Abszisse für die Zeit t). Die linke Ordinate zeigt wieder die Temperatur T, die rechte die Spannung V in mV als Maß für die Dickenänderung. Auch in diesem Falle kann ein Zuwachs ΔD_p (obere Kurve) von ungefähr 4 cm erkannt werden, allerdings hier bei negativer Differenzdruck änderung Δp_n. Aus der Interpretation des sinkenden Temperaturverlaufs (untere Kurve) kann auf eine Dickenzunahme durch Anfrieren von Eis an der Schollenunterseite geschlossen werden. Die übergeordnete Dickenzunahme ist aus der sinkenden Tendenz der dicken Kurve zu ersehen. Die starke Zackelung ergibt sich aus einer Überlagerung von tageszeitabhängigen Oberflächen effekten (z. B. Raureifbildung), wie dem Temperaturverlauf gut entnommen werden kann. Auch in diesem Falle besteht also Übereinstimmung mit der Interpretation zu dem Änderungsfall aus Fig. 3.

Bezugszeichenliste

1

Eisscholle

2

Schollenoberseite

3

Wasserspiegel

4

Schollenunterseite

5

Fixpunkt

6

Eisbildung an

4

7

Schneezutrag auf

2

8

Eisabschmelzung an

4

9

Schneeabtrag auf

2

10

Messvorrichtung

11

Schutzbehälter

12

Differenzdrucksensor

13

luftgefüllter Anschlussschlauch

14

ölgefüllter Anschlussschlauch

15

Dreiwegehahn

16

Bohrloch

17

Eisscholle

18

Lotgewicht

19

Kevlarfaden

20

freies Ende von

14

21

freies Ende von

13

22

Batteriekiste

23

verstellbare Stange

24

Behälterhalterung

25

Höhenverstellung

26

Wasserspiegel

27

Eisauflagefläche

28

Isolationsschicht

29

Messelektronik

30

meteorologische Boje
D₀

Dicke von

1

ΔD_p

Dickenzunahme
ΔD_n

Dickenabnahme
Δp₀

Differenzdruck
Δp_p

pos. Differenzdruckänderg
Δp_n

neg. Differenzdruckänderg
p_W

Wasserdruck
p_L

Luftdruck
I₀

Ausgangsabstand

5

zu

3

I₁

Abstand p_W

zu

5

I₂

Abstand p_L

zu

5

t Zeit
T Lufttemperatur
V Messspannung

Claims

1. Messverfahren zur Langzeitbestimmung der Dickenänderung einer Eisscholle, die im Wasser treibt, gekennzeichnet durch eine Messung des Differenzdrucks (Δp₀) zwischen dem Luftdruck (p_L) oberhalb und dem Wasserdruck (p_W) unterhalb der Eisscholle (1) mit konstantem Bezug (I₁, I₂) auf einen vorgegebenen Fixpunkt (5) innerhalb der Eisscholle (1) unter Berücksichtigung der Lufttemperatur (T).

2. Messverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Messung weiterer meteorologischer Parameter.

3. Messverfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Lage des Fixpunkts (5) in Höhe des Wasserspiegels (3).

4. Vorrichtung zur Bestimmung der Dickenänderung einer Eisscholle, die im Wasser treibt, mit einer Energieversorgungs- und einer Datenübertragungs einrichtung, insbesondere zur Durchführung des Messverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Differenzdrucksensor (12), der einen luftgefüllten (13) und einen ölgefüllten (14) Anschlussschlauch aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Schutzumhüllung des freien Endes (21) des luftgefüllten Anschlussschlauches (13).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Anordnung des freien Endes (21) des luftgefüllten Anschlussschlauches (13) in einer luftdurch lässigen Batteriekiste (22) auf der Eisscholle (17) als Energieversor gungseinrichtung.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch ein an einem Faden (19) befestigtes Lotgewicht (18) am freien Ende (20) des ölgefüllten Anschlussschlauches (14).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, gekennzeichnet durch eine solche Länge (I₁) des ölgefüllten Anschlussschlauches (14), dass sein freies Ende (20) etwa 2 m unterhalb der Eisschollenunterseite (4) anordenbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, gekennzeichnet durch eine Anordnung des Differenzdrucksensors (12) in einem druckfesten Schutzbehälter (11), der Durchführungen für die Anschlussschläuche (13, 14) und weitere Leitungen (29) aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine mit einer Eisauflagefläche (27) versehene Behälterhalterung (24), an die mittels verstellbarer Stangen (23) der Schutzbehälter (11) befestigbar und in eine Durchgangsbohrung (16) in der Eisscholle (17) bis kurz unter den Wasserspiegel (26) absenkbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine ringförmige Ausbildung und Isolierung (28) der Eisauflagefläche (27).

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, gekennzeichnet durch einen Datenanschluss (29) des Differenzdrucksensors (12) an eine auf der zu vermessenden Eisscholle (17) positionierbaren meteorologischen Boje (30) mit Satellitenverbindung als Datenübertragungseinrichtung.