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Black Smoker

Black Smoker und White Smoker, auf deutsch Schwarze oder Weiße Raucher gehören zu den hydrothermalen Quellen am Grund der Tiefsee. Die Mündung wird durch eine röhren- oder kegelförmige mineralische Struktur, dem Schornstein geformt, aus dem eine Sedimentwolke austritt.

Entstehung

Die Schwarze Raucher am Meeresboden werden durch Wasserkreisläufe gebildet. Meerwasser dringt über ein System von Spalten und Rissen in der noch jungen ozeanischen Kruste bis hin zum heißen magmatischen Bereich der Asthenosphäre vor, wird dort erhitzt und schießt mit einer Temperatur von 350 °C durch Schlote aus dem Meeresboden heraus. Sie sind erst Ende der siebziger Jahre im Zuge der ozeanographischen Untersuchungen am Galapagos Rift-System entdeckt worden (Corliss et al. 1979; Edmond et al. 1982). Sie hängen ursächlich mit den mittelozeanischen Rücken in diesem Bereich zusammen. Daneben kann es im Bereich von hot spots, Vulkanen, Subduktionszonen, off-axis-Systemen und back-arc activity zur Bildung von hydrothermalen Systemen kommen (Holm and Hennet 1992; Simoneit 1996).

Die Entstehung von Schwarzen Raucher entlang der mittelozeanischen Rücken hängt ursächlich mit den tektonischen Aktivitäten im Erdmantel zusammen. Durch Konvektionsströmungen in der Asthenosphäre wird entlang der Mittelozeanischen Rücken heißes Magma in den Erdmantel gedrückt Lithosphäre gedrückt

Nach dem Schalenmodell können im Erdmantel die Lithosphäre und die Asthenosphäre unterschieden werden. Die Lithosphäre besteht aus festem Material, sie ist in einzelne Platten gegliedert, die sich nach der Theorie der Plattentektonik relativ zueinander bewegen und wie Eisschollen auf der zähflüssigen Asthenosphäre treiben. Die Asthenosphäre hingegen besteht aus zähflüssigem plastischem Material, das einer Konvektionsströmung unterliegt. Die Bewegung der Platten, die die ozeanische und die kontinentale Kruste tragen, ist passiv und wird durch die Konvektionsströmungen in der Asthenosphäre hervorgerufen. In dem Bereich, in dem die Konvektionsströmung der Asthenosphäre nach oben gerichtet ist, entstehen die [mittelozeanische Rücken|[mittelozeanischen Rücken]]. Dieser Prozeß wird dadurch eingeleitet, daß sich unter einer Platte Konvektionswalzen in der Asthenosphäre bilden, die die Lithosphäre an dieser Stelle auseinanderbrechen lassen, so daß sich zwei neue Platten bilden. In diesem Bereich steigt nun heißes Magma aus dem Erdmantel in die Kruste und drückt die neugebildeten Platten auseinander.

Hydrothermale Systeme, d. h. Quellen, aus denen heißes Wasser austritt, gibt es an vielen Orten auf der Welt. Man kennt die Geysire als touristische Attraktion in den National Parks der nordamerikanischen Rocky Mountains oder auch auf Island. Solche geologischen Phänomene treten immer dann auf, wenn Oberflächenwasser oder Grundwasser in tiefere Bereiche der Erdkruste eindringt, dort mit heißem Basalt in Kontakt kommt, stark erhitzt wird und bei Druckentlastung als Wasserfontäne aus dem Boden wieder herausschießt. Die hydrothermalen Systeme am Meeresboden werden durch ähnliche Wasserkreisläufe gebildet. Meerwasser dringt über ein System von Spalten und Rissen in der noch jungen ozeanischen Kruste bis hin zum heißen magmatischen Bereich der Asthenosphäre vor, wird dort erhitzt und schießt mit einer Temperatur von 350 °C durch Schlote aus dem Meeresboden heraus. Sie sind erst Ende der siebziger Jahre im Zuge der ozeanographischen Untersuchungen am Galapagos Rift-System entdeckt worden (Corliss et al. 1979; Edmond et al. 1982). Sie hängen ursächlich mit den mittelozeanischen Rü-cken in diesem Bereich zusammen. Daneben kann es im Bereich von hot spots, Vulkanen, Subduktionszonen, off-axis-Systemen und back-arc activity zur Bildung von hydrothermalen Systemen kommen (Holm and Hennet 1992; Simoneit 1996). Da die mittelozeanischen Rücken die größten geologischen Strukturen dar-stellen, durch deren Dynamik es zur Bildung von hydrothermalen Systemen kommt, werden in dieser Arbeit nur die geodynamischen Prozesse entlang der mittelozeanischen Rücken dargestellt. Bei diesen Rücken handelt es sich um sehr alte geologische Strukturen, die sich vermutlich in ihrer Dynamik seit dem Archaikum nicht verändert haben (Nisbet 1986), zum anderen stellen sie ein erdumspannendes System dar, das heute noch etwa 23 % der Erd-oberfläche einnimmt. Sie bilden die bei weitem größte geologische Struktur, an der es zur Bildung von hydrothermalen Systemen am Meeresboden kommen kann.

Eigenschaften

Im austretenden Wasser des Smoker sind vor allem Sulfide und andere Salze von Eisen, Mangan, Kupfer und Zink gelöst. Das heiße, mineralreiche Wasser der Thermalquelle trifft mit dem 2 °C kalten Wasser des Meeresgrundes zusammen; bei der Abkühlung werden Mineralien ausgefällt, die die "Rauchfahne" und durch Sedimentation den Schornstein oder Kegel bilden. Ist die Sedimentwolke reich an Eisensalzen, bildet sich die charakteristische schwarzgraue "Rauchfahne" des Black Smoker, oder aber auf Grund von Anhydrit, Gips oder Siliziumoxid die helle Sedimentwolke des White Smoker.

Smoker als Biotope

Hydrothermale Tiefseequellen und ihre Umgebung bilden ein eigenes Biotop mit vielen, meist nur in dieser Umgebung lebenden Arten. Basis der Nahrungskette in diesem Biotop bilden chemosynthetisch aktive Bakterien und Archaeen, die in der heißen lichtlosen Umgebung Schwefelwasserstoff als Energielieferant nutzen, um Kohlenstoffdioxid in organische Verbindungen umzuwandeln. Weiter wird das Biotop unter anderem von Spinnenkrabben ohne Augen, Bartwürmern, Venus- und Miesmuscheln und Seesternen bewohnt. Die hier lebenden Röhrenwürmer besitzen kein Verdauungssystem sondern erhalten ihre Nährstoffe von den Bakterien, mit denen sie in Symbiose leben.

Felder hydrothermaler Tiefseequellen sind nur ungefähr 20 Jahre aktiv. Dann verstopfen die ausgefällten Mineralien die Röhren und Spalten und die Quellen versiegen. Damit stirbt natürlich auch die Fauna in der nun für sie lebensfeindlich gewordenen Umgebung. Wie das Leben an neue Felder hydrothermaler Quellen kommt, ist bisher nicht erforscht.

Hypothesen zur Evolution des Lebens

Die extremen Umweltbedingungen, wie sie in den hydrothermalen Feldern der Tiefsee in der Nähe der Black Smoker herrschen, lassen an die Verhältnisse in der frühen Erdgeschichte denken, in denen Evolutionsbiologen den Ursprung des irdischen Lebens sehen. Vulkanismus mit hohen Temperaturen und hohem Druck, Mangel an Licht, eine hohe Mineralkonzentration haben einige Forscher, beispielsweise William Martin und Michael Russell, bewogen der Umgebung von Black Smokern eine besondere Bedeutung in der Entwicklung des Lebens zuzuweisen. Besonders die chemosynthetisch aktiven Bakterien und Archaeen (früher: Archaeobakterien) hydrothermaler Quellen, deren Genom eingehend untersucht wurde und bei vielen Arten vollständig entschlüsselt werden konnte, trugen dazu bei. Sie werden wegen ihres anaeroben Stoffwechsels und der Energiegewinnung ohne die Möglichkeit der Nutzung von Sonnenlicht sowie ihrem Habitat, das auf der frühen Erde sehr häufig war, von einigen Forschern als repräsentativ für frühesten Formen des Lebens angesehen. Einige Biologen erwarten, ähnliches Leben auf Monden der Gasplaneten wie z.B. dem Jupitermond Europa zu finden, da dort unter dem Eismantel ein Wasserozean mit eventuellen hydrothermalen Quellen vermutet wird.

Andere in der Umgebung von hydrothermalen Quellen lebenden Organismen wie die in langen Röhren sitzenden Bartwürmer mit reduzierten Verdauungsorganen oder Muscheln der Art Calyptogena magnifica, die in Symbiose mit chemoautotrophen Schwefelbakterien leben, sind hochspezialisiert und angepasst und eher als Produkte einer lange dauernden Evolution als als Prototyp zu bezeichnen. Insgesamt haben die Black Smoker mit ihrem außergewöhnlichen Ökosystem und neuen Arten seit ihrer Entdeckung bereits viele intensive Diskussionen und weitergehende Forschungen unter Wissenschaftlern auf allen Gebieten der Meereskunde und Geologie, aber auch der Genetik, Paläontologie, Mikrobiologie, Biochemie und Medizin ausgelöst.

Literatur

• M. Martin, M.J.Russell, (2003). On the origins of cells : a hypothesis for the evolutionary transitions from abiotic geochemistry to chemoautotrophic prokaryotes, and from prokaryotes to nucleared cells. Philos. Trans. R. Soc. London Ser. B 358, 59–85

Siehe auch

Commons: Black smokers – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Weitere postvulkane oder mit Thermalquellen in Zusammenhang stehende Erscheinungen:

• Fumarole
• Geysir
• Heiße Quelle
• Kaltwassergeysir
• Lost City (Hydrothermalfeld)
• Mofette
• Schlammvulkan
• Solfatare
• Thermalquelle

Weblinks

• wissenschaft.de Der Meereswurm Alvinella pompejana in der Nähe heißer Thermalquellen.

Hydrothermale Systeme

Hydrothermale Systeme, d. h. Quellen, aus denen heißes Wasser austritt, gibt es an vielen Orten auf der Welt. Man kennt die Geysire als touristische Attraktion in den National Parks der nordamerikanischen Rocky Mountains oder auch auf Island. Solche geologischen Phänomene treten immer dann auf, wenn Oberflächenwasser oder Grundwasser in tiefere Bereiche der Erd-kruste eindringt, dort mit heißem Basalt in Kontakt kommt, stark erhitzt wird und bei Druckentlastung als Wasserfontäne aus dem Boden wieder heraus-schießt. Die hydrothermalen Systeme am Meeresboden werden durch ähnliche Was-serkreisläufe gebildet. Meerwasser dringt über ein System von Spalten und Rissen in der noch jungen ozeanischen Kruste bis hin zum heißen magmati-schen Bereich der Asthenosphäre vor, wird dort erhitzt und schießt mit einer Temperatur von 350 °C durch Schlote aus dem Meeresboden heraus. Sie sind erst Ende der siebziger Jahre im Zuge der ozeanographischen Untersu-chungen am Galapagos Rift-System entdeckt worden (Corliss et al. 1979; Edmond et al. 1982). Sie hängen ursächlich mit den mittelozeanischen Rü-cken in diesem Bereich zusammen. Daneben kann es im Bereich von hot spots, Vulkanen, Subduktionszonen, off-axis-Systemen und back-arc activity zur Bildung von hydrothermalen Systemen kommen (Holm and Hennet 1992; Simoneit 1996). Da die mittelozeanischen Rücken die größten geologischen Strukturen dar-stellen, durch deren Dynamik es zur Bildung von hydrothermalen Systemen kommt, werden in dieser Arbeit nur die geodynamischen Prozesse entlang der mittelozeanischen Rücken dargestellt. Bei diesen Rücken handelt es sich um sehr alte geologische Strukturen, die sich vermutlich in ihrer Dynamik seit dem Archaikum nicht verändert haben (Nisbet 1986), zum anderen stellen sie ein erdumspannendes System dar, das heute noch etwa 23 % der Erd-oberfläche einnimmt. Sie bilden die bei weitem größte geologische Struktur, an der es zur Bildung von hydrothermalen Systemen am Meeresboden kommen kann.

Die Entstehung der hydrothermalen Systeme

Die Entstehung der hydrothermalen Systeme entlang der mittelozeanischen Rücken hängt ursächlich mit den tektonischen Aktivitäten im Erdmantel zu-sammen. Nach dem Schalenmodell können im Erdmantel die Lithosphäre und die Asthenosphäre unterschieden werden. Die Lithosphäre besteht aus festem Material, sie ist in einzelne Platten gegliedert, die sich nach der Theo-rie der Plattentektonik relativ zueinander bewegen und wie Eisschollen auf der zähflüssigen Asthenosphäre treiben. Die Asthenosphäre hingegen be-steht aus zähflüssigem plastischem Material, das einer Konvektionsströmung unterliegt. Die Bewegung der Platten, die die ozeanische und die kontinentale Kruste tragen, ist passiv und wird durch die Konvektionsströmungen in der Asthe-nosphäre hervorgerufen. In dem Bereich, in dem die Konvektionsströmung der Asthenosphäre nach oben gerichtet ist, entstehen die mittelozeanischen Rücken. Dieser Prozeß wird dadurch eingeleitet, daß sich unter einer Platte Konvektionswalzen in der Asthenosphäre bilden, die die Lithosphäre an dieser Stelle auseinanderbrechen lassen, so daß sich zwei neue Platten bilden. In diesem Bereich steigt nun heißes Magma aus dem Erdmantel in die Kruste und drückt die neugebildeten Platten auseinander.

Abb. 5. Querschnitt durch die äußeren Schalen der Erde. Die äußerste Schale ist die Lithosphäre. Sie besteht aus der Kruste und den äußeren (festen) Bereichen des Erdmantels. Die Lithosphäre schwimmt auf dem plastischen, teilweise geschmolzenen Bereich des Erdmantels, der als Asthenosphäre bezeichnet wird. (aus: Press and Siever 1993) Für die Bildung der mittelozeanischen Rücken sind zwei Vorgänge von Be-deutung: In diesem Bereich wird die Lithosphäre durch die nach oben gerich-tete Bewegung der Konvektionsströmung angehoben, Magma dringt in die Lithosphäre ein, und es kommt zur Bildung einer Magmakammer, der Intru-sionszone. Das aufsteigende Magma drückt die beiden Platten auseinander und lagert Material aus der Astenosphäre an, so daß an den Plattengrenzen die ozeanische Kruste einer ständigen Erneuerung unterliegt. Dieser Vor-gang wird deshalb auch als Meeresbodenspreitung (seafloor spreading) be-zeichnet.

Von den Kammregionen der mittelozeanischen Rücken nimmt die Höhe der Erhebung kontinuierlich ab, und die basaltische Kruste wird mit zunehmen-der Entfernung von der Spreitungszone mit Sedimenten zugedeckt. In unmit-telbare Nähe der Rücken ist die junge Kruste noch nicht durch Ablagerungen bedeckt. Hier kann Meerwasser über ein System von Spalten und Rissen eindringen, das sich durch die Kontraktion des sich abkühlenden Magmas gebildet hat, es kommt zur Bildung von hydrothermalen Systemen.

Dynamik und Chemismus hydrothermaler Systeme

Der Kreislauf des Meerwassers in den hydrothermalen Systemen beginnt an den Rissen und Spalten, die sich beim Abkühlungsprozess der jungen ozea-nischen Kruste gebildet haben. In diese, auch als Pillolava, bezeichneten basaltischen Strukturen dringt das 2 °C kalte Meerwasser zwei bis drei Kilo-meter tief in die ozeanische Kruste bis zur Intrusionszone ein, wird dort auf bis zu 700 °C erhitzt und steigt wieder zum Meeresboden auf (Shock 1992a). In diesem Kreislauf wird die chemische Zusammensetzung des Meerwas-sers durch Austauschvorgänge mit der ozeanischen Kruste entscheidend verändert (Edmont et al. 1982). Die ersten Austauschvorgänge finden schon beim Herabsteigen des kalten Meerwassers statt. So wird das Sulfat (SO42-) vollständig zu Sulfid reduziert und teilweise in Form von Polymetallsulfiden ausgefällt (Jannasch 1994). Die eigentliche chemische Veränderung erfährt das Meerwasser aber erst im Bereich der Intrusionszone. Hier reagiert es mit dem über eintausend Grad heißen Magma. Beeinflußt werden die chemischen Reaktionen entscheidend durch die hohen Drücke, die sich aus dem lithostatischen Druck und dem hydrostatischen Druck zusammensetzen, so daß insgesamt Drücke von bis zu dreizehntausend Tonnen pro Quadratzentimeter herrschen. Das Meer-wasser reagiert mit dem schmelzflüssigen Magma, wird dadurch erhitzt und setzt aus dem Magma verschiedene Substanzen frei. Anschließend reagiert das stark aufgeheizte Wasser mit dem Basalt, das die Magmakammer um-gibt. Unter diesen Bedingungen werden zunächst die Magnesiumionen aus dem Meerwasser ausgeschieden. Sie verbinden sich mit den Silicaten im Basalt zu wasserunlöslichen Hydroxysilicaten, wie zum Beispiel Talk (Mg3[Si4O10](OH)2). Dabei werden Protonen freigesetzt, die das Meerwasser stark ansäuern und teilweise gegen Ca2+- und K+-Ionen aus dem Kristallgitter des Basalts ausgetauscht werden. Das heiße Wasser löst auch Silicium-, Mangan-, Eisen- und Lithiumionen aus dem Basalt heraus. Sie bilden Kom-plexionen in der nun sauren und stark reduzierenden Lösung. Bei diesen Reaktionen werden aus dem Magma H2O, H2S, HCl, HF, CO2, SO2 und H2 freigesetzt und wirken als zusätzliche Kraft beim Wiederaufsteigen des Wassers (Holm and Hennet 1992). Beim Wiederaufsteigen der hydrothermalen Lösung können am Meeresboden zwei verschiedene Quelltypen entstehen. Dringt die hydrothermale Flüssigkeit bis zum Meeresboden vor, ohne daß sie mit herabsteigendem kaltem Meerwasser vermischt worden ist, kommt es zur Bildung der Schwar-zen Raucher. Diese bis zu 10 m hohen Schlote bilden sich, wenn das 350 °C heiße ionenreiche Wasser beim Austreten aus der Kruste mit kaltem Meer-wasser in Berührung kommt. Durch das Vermischen fällt die Temperatur und steigt der pH-Wert des hydrothermalen Wassers. Es kommt zur Fällung von Eisen- und Mangansulfiden, die zunächst noch als schwarze Suspension – dem schwarzen Rauch – mit einer Geschwindigkeit von 5 m/s aus der Öff-nung des Schlotes herausschießt. Die Sulfide, die zum Teil durch den im Meerwasser gelösten Sauerstoff oxidiert werden, sedimentieren in der Um-gebung des Schlotes. Die Schlote wachsen, indem sich an der Vorderkante, bedingt durch die Mischung des sulfathaltigen Meerwassers mit dem austre-tenden calciumreichen Quellwasser, eine Calciumsulfatschicht bildet. Wenn diese Schicht wächst, wird der innen liegende Bereich von der unvermisch-ten hydrothermalen Lösung überströmt, aufgelöst und durch ausfallende Sulfidmineralien ersetzt. Vermischt sich hingegen auf dem Weg zum Meeresboden die heiße, ionen-reiche Lösung mit dem herabsteigenden kalten Meerwasser, so kommt es schon in der Kruste zur Fällung der Metallsulfide. Bei diesem zweiten Quell-typ tritt das hydrothermal veränderte Meerwasser langsam mit einer Temperatur von 40 °C und ohne den markanten schwarzen Rauch aus der porösen ozeanischen Kruste aus. Diese Quellen werden als Weiße Raucher be-zeichnet. Sie bilden keine Schornsteine wie die Schwarzen Raucher aus (Jannasch 1994).

Seeburgersee

Bild
Winterstimmung am Seeburger See
Daten
Name:	Seeburger See
Lage:	im Landkreis Göttingen
Fläche	km²
maximale Tiefe:
Zuflüsse:
Abfluss:
Höhe über NN:	ca. 157 m
Größere Orte am Ufer:	Seeburg
Besonderheiten:	drittgrößter See Niedersachsens

Winterstimmung am Seeburger See

Der Seeburger See, auch das „Auge des Eichsfelds“ genannt, liegt in der Nähe von Seeburg (Untereichsfeld) im Landkreis Göttingen, etwa 25 km östlich von Göttingen, auf 157 m über NN.

Die Wasserfläche ist 87 ha groß und an der breitesten Stelle einen Kilometer breit. Das Gewässer ist rund 2500 Jahre alt und befindet sich über der Lösungszone eines Steinsalzlagers aus der Zechsteinzeit. Es entstand durch den Einsturz eines unterirdischen Hohlraumes. Diese Art von See wird auch als Erdfall bezeichnet.

Der Seeburger See ist die größte natürliche Wasserfläche in Südniedersachsen. 1973 wurden Teilbereiche der Seefläche und der Uferzone des Seeburger Sees unter Naturschutz gestellt, andere Bereiche des Sees wurden für Bade-, Ruder-, Segel- und Angelsport freigegeben. Durch den See fließt die „Aue“.

Siehe auch: Liste der Seen in Deutschland