Testexperimente zur akustischen Navigation in Eis und Wasser für ...

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6 Tests des Akustischen Systems zur Vorfelderkundung (ARS) 58 6.3.2 Funktionstest und Messungen in Wasser Um die einwandfreie Arbeitsweise der DAQ der Phasenarrays nach dem Transport auf den Gletscher zu testen wurden zunächst Messungen in Wasser genommen. Der in Abbildung 6.6 gezeigte Aufbau ähnelte hierbei den Messungen in einem Wasser gefüllten Becken während der Inbetriebnahme der Phasenarrays im Labor. Für die Messung stand ein ca. 70 cm tiefer Schmelzkanal des IceMole zur Verfügung. Das Phasenarray wurde horizontal in einer Entfernung von 54±1 cm frontal vor der Rückwand des Schmelzkanals befestigt. Zusätzlich wurde der Griff eines Eispickels zwischen Phasenarray und Rückwand befestigt. Der Pickel wurde leicht seitlich vor dem Phasenarray in einem Abstand von 22±1 cm. platziert. Mit dem Phasenarray wurde nun ein Winkelbereich von ±30 Grad unter- Phasenarray Pickel Abbildung 6.6: Aufbau zum Funktionstest des Phasenarrays. sucht. Bei einer Schallgeschwindigkeit von 1407,7 m s [17] ergibt sich eine Laufzeit von 0,313 ± 0,014 s für die Reflexion vom Pickel und 0,767 ± 0,014 s für die Reflexion der Rückwand des Schmelzkanals. Abbildung 6.7 zeigt exemplarisch die unter einem Sendewinkel von 0 Grad aufgenommene Messung. Bei einer Laufzeit von 0,315 ms ist ein deutliches Signal zu erkennen. Ein weiteres deutlich schwächeres Signal beginnt bei 0,762 ms und ist deutlich breiter. Die Signale können eindeutig mit den erwarteten Reflexionen identifiziert werden. Beide Signale sind in den Messungen sämtlicher Sendewinkel zu sehen. Lediglich die Amplitude der Reflexion des Pickels nimmt nach außen hin ab. Die Reflexion der Rückwand ist deutlich breiter, da Die Rückwand nicht eben ist. Amplitude [# ADC Kanal] 10000 5000 0 -5000 -10000 0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012 Zeit [s] Abbildung 6.7: Testmessung in Wasser bei einem Sendewinkel von 0 Grad mit einem Frequenzfilter bis 200 kHz und ab 1,2 MHz. Die Reflexionen des Pickels und der Rückwand des Schmelzkanals sind klar zu erkennen. 58
6 Tests des Akustischen Systems zur Vorfelderkundung (ARS) 59 6.3.3 Messungen im Firneis Im Umfeld des Testbereiches des IceMole wurden mehrere Messungen mit dem Phasenarray im Firneis an der Oberfläche des Gletschers durchgeführt. Struktur des Firneises Durch Schwankungen der Witterungsbedingungen wie Temperatur, Druck, Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeit unterliegen die akkumulierten Schneemassen auf einem Gletscher einer Metamorphose. Hierbei findet eine Umwandlung der hexagonalen Schneeflocken in Firnkörner statt. Zwischen Neuschnee an der Oberfläche und Gletschereis in größerer Tiefe entsteht eine Schicht aus Firneis. Die Dicke dieser Schicht und die Geschwindigkeit der Ausbildung ist stark von den Witterungsbedingungen und dem Breitengrad abhängig. [31] Firneis zeichnet sich durch eine körnige Struktur aus. Bei der Metamorphose zu kompaktem Eis wird Luft eingeschlossen [31]. Abbildung 6.8 zeigt eine Aufnahme der Struktur von Firneis in einer Tiefe von ca. 50 cm unterhalb der lockeren Schneedecke auf dem Morteratsch Gletscher. Im Eis sind mehrere Einschlüsse aus Luftblasen zu erkennen, deren Durchmesser im Bereich von wenigen Millimetern liegt. Die Firnlinie bezeichnet die Grenze zwischen Firn, der mindestens eine Ablationsperiode überdauert hat, und der Eisphase an der Gletscheroberfläche [31]. Unterhalb der Firnlinie ist das Eis den jahreszeitlichen Schwankungen der Temperatur nahezu nicht ausgesetzt. Das Alter des unter der Schicht aus Firneis befindlichen Eises ist deutlich höher als das der Oberfläche. Der größere Druck erhöht die Dichte und macht das Eis kompakter. Auch die Abbildung 6.8: Struktur des Firneises auf dem Morteratsch Gletscher in einer Tiefe von ca. 50 cm. Größe und Anzahl der im Eis eingeschlossenen Luftblasen sinkt mit der Tiefe [25]. Dies führte zu der Idee die Messungen in tieferen Eisschichten durchzuführen. Im Rahmen der durch den Aufbau der DAQ limitierten Reichweite wurden Messungen bis zu einer Tiefe von 1,3 m unterhalb der Schneedecke durchgeführt. 59
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