Dieser Punkt war das Zentralstück der duchgeführten Arbeiten. Gemäss internationaler Absprachen war die Bremer Arbeitsgruppe für die Aufbereitung des WOCE-Gesamttracerdatensatzes (FCKWs, Helium, Tritium) im Südatlantik verantwortlich. Sie war international die einzige Gruppe, die alle drei Tracer bearbeitete, und sie hat mit Abstand die meisten südatlantischen WOCE-Tracermessungen beigetragen. Der Nordatlantik und der Südliche Ozean (Zirkumpolarstrom und Weddellmeer) wurden von Arbeitsgruppen in den USA bearbeitet, für die die Bremer Arbeitsgruppe Zuarbeit in der Bereitstellung eigener Datensätze leistete. Ein Interkalibrationsexperiment für die Helium- und Tritiummessungen der in das WOCE Programm involvierten internationalen Arbeitsgruppen konnte nicht zu Ende geführt werden, da in verschiedenen Labors zur Zeit die Kapazität für solche Messungen fehlt.
Für die Heliumdatensätze wurden an Kreuzungspunkten sowohl das Heliumisotopen-verhältnis als auch die Absolutkonzentrationen der Heliumisotope und des Neons im Tiefenwasser verglichen. Die gefundenen Korrekturen sind in Tabelle 1 angegeben. Während das Helium-Isotopenverhältnis und das Helium/Neon-Verhältnis nicht so kritisch von der Konsistenz der Kalibration beeinflußt werden, sind die Absolutkonzentrationen deutlich empfindlicher. Für die Tritiumdatensätze wurde ebenfalls im Tiefenwasser ein Vergleich der Konzentrationen an Kreuzungspunkten durchgeführt. Die Zeitkorrektur für die Tritiumdaten berücksichtigte den radioaktiven Zerfall. Die Differenz zwischen Datensätzen lag in der Regel unterhalb von ±0.005 TU und ist damit in der Größenordung der Meßgenauigkeit bei den vorherrschenden kleinen Konzentrationen im Tiefenwasser. Ein Vergleich der Datensätze im Zwischenwassers kontrollierte, ob es zusätzlich zu diesem ‚offset‘ auch proportionale Verschiebungen in den Datensätzen gab. Hierzu wurde das Zwischenwasserniveau gewählt, weil hier die Tritiumkonzentrationen im Vergleich zum Tiefenwasser schon deutlich gößer sind (>0.1 TU), die Variabilität aber bereits gering ist. Ein Problem waren allerdings die relativ großen Stationsabstände in den Tritiumdatensätzen, die eine erhebliche Streuung in den Wassermasseneigenschaften und damit auch in den Tritiumkonzentrationen bedingten. Im Ganzen konnten keine Verschiebungen nachgewiesen werden.
Die Qualitätskontrolle der FCKW-Daten machte die Entwicklung eines neuen Interpolationsschemas nötig. Nennenswerte Konzentrationen findet man im Südatlantik erst oberhalb von höchstens 2000 m, oft sogar nur oberhalb von 1000 m. In diesem Teil der Wassersäule ist die Variabilität in den Wassermasseneigenschaften selbst auf Isodichteflächen erheblich, so dass eine simple Interpolation auf Dichteniveaus nicht ausreichend ist. Das neue Verfahren zur Interpolation der FCKWs an Kreuzungspunkten auf vorgegebene
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Dichteniveaus verwendet daher eine Multiparameter-Regression mit einer Kombinationen aus sechs möglichen Parametern (Temperatur, Salzgehalt, Sauerstoff, Silikat, Nitrat und Phosphat). Bei Anwendung des Verfahrens auf Daten innerhalb einer Fahrt lassen sich Meßwerte einer naheliegenden Station mit einem mittleren Fehler von 1-2% simulieren. Will man die FCKW-Kalibrierung verschiedener Fahrten auf Konsistenz untersuchen, muss allerdings wegen der transienten Natur der Tracerverteilungen eine Korrektur auf einen gemeinsamen Zeitpunkt durchgeführt werden. Für diese Korrektur, die häufig mehr als 10
%/Jahr beträgt, wurden verschiedene Ansätze untersucht (Konzentrationsalter, Verwendung wiederholter Messungen am gleichen Ort). Es zeigte sich, dass die Zeitkorrektur in der Regel nicht mit einer Genauigkeit durchgeführt werden kann die ausreicht, Kalibrationsabweichungen von wenigen Prozent festzustellen. Andereseits ist in dem Rahmen dass solche Abweichungen ausgeschlossen werden können, das Verfahren aber sehr wohl nützlich, um zeitlich wiederholte Messungen an gleichem Ort korrekt aufeinander zu beziehen. Die Untersuchung beinhaltete auch eine Interkalibration der Nährstoff- und Sauerstoffdaten. Darüberhinaus wurden die FCKW-Daten auf Ausreißer geprüft, indem für alle Schnitte abschnittsweise mittlere Beziehungen zwischen F-11 und F-12 berechnet wurden (getrennt für die oberflächennahen und die tieferen Wasserschichten) und die individuellen Abweichungen von dieser Beziehung statistisch ausgewertet wurden. Ein Beispiel ist in Abb.
1 gezeigt. Bei diesem Verfahren fielen einige Konzentrationen durch die Maschen. Solche Daten wurden dann mit der von WOCE vorgesehenen Markierung (flag) versehen.
Alle Tracerdaten wurden qualitätskontrolliert an das WOCE Hydrographic Office abgegeben. Die Zusammenarbeit war nicht unproblematisch, indem die von uns übermittelten Datensätze teilweise erst nach wiederholter Aufforderung und/oder nicht in der letzten Version in die offiziellen WOCE-Datenfiles aufgenommen wurden, was zeitraubende Recherchen erforderte.
II.1.2 Datenprodukte
Als ein Datenprodukt für den WOCE Atlas wurden isopyknische Verteilungen des F12 Konzentrationsalters erstellt und an die Atlas Arbeitsgruppe weitergeleitet. Abb. 2 zeigt exemplarisch die Altersverteilung im Kernbereich des Antarktischen Zwischenwassers (AAIW) auf der Isopykne 27.2 (Rose, 1999). Die Belüftung dieses Horizonts geschieht von Süden aus zwischen 50-60°S. Auch im Entstehungsgebiet werden Alter ungleich Null gefunden, infolge Zumischung alten Wassers und Abweichungen von 100%er Sättigung in der ventilierten Komponente. Entlang des amerikanischen Kontinents ist zum einen der Einstrom von AAIW in den Nordatlanik im Nord-Brasil Strom zu sehen, zum anderen aber auch eine südwärtige Rezirkulation südlich von 20 °S. Entlang des Äquators ist deutlich eine Zunge mit niedrigeren Altern erkennbar, die sich östwärts in das Angola Becken ausbreitet.
Innerhalb des Angola Beckens findet man mit ca. 40 Jahren die größten Alter. Es zeigte sich, dass F11/F12 Verhältnisalter im Südatlantik nur bedingt aussagekräftig sind, da offenbar starke Vermischung das Alterssignal stark verschmiert. Es wurde deshalb dazu übergegangen,
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Altersverteilungen zu betrachten, was dann möglich ist, wenn wiederholte Beobachtungen und ggf. Beobachtungen für mehrere Tracer vorliegen. Im letzteren Fall erweist sich CCl4 als nützlich.
II.1.3 Gewinnung neuer Tracerdatensätze im Bereich Drakepassage/Südwestatlantik Hierzu diente eine Beteiligung an der Reise JAMES CLARK ROSS 40, März-April 1999 (Projekt ALBASTROSS) unter der Leitung von Dr. K. Heywood, Univ. of East Anglia. Die Fahrtroute führte über die Drakestraße, durch die Scotiasee und zurück zum Argentinischen Schelf, womit der Antarktische Zirkumpolarstrom in seiner frühen Wechselwirkung im Atlantik erfasst wurde, was uns besonders interessant schien, da aus diesem Gebiet abgesehen von der Drakestraße selbst, kaum Tracerdaten vorlagen. Von uns wurden Heliumisotope und Tritium gemessen, während FCKW-Messungen von englischer Seite durchgeführt wurden. Die Daten liegen vor und wurden übergeben (s. II.1.1; II.1.4).
II.1.4 Ozeanographische Auswertung
Aus der Überprüfung des Gesamtdatensatzes der FCKWs haben sich zwei methodische Arbeiten ergeben, die sich mit der Stabilität von F113 und CCl4 im Ozean befassen. Durch einen quantitativen Vergleich simultaner CCl4- und F12-Messungen auf den WOCE-Schnitten A8 – A10 mit Hilfe eines einfachen Transportmodells sowie im Weddelmeer zeigte sich, dass CCl4 in warmem Wasser erhebliche Abbauraten aufweist (bei T > 13°C 20-30% Abbbau pro Jahr). Auf der anderen Seite fällt bei niedrigeren Temperaturen die Abbaurate stark ab, so daß bei den Temperaturen der Tiefsee CCl4 als quasi-stabil angenommen werden darf (Abbau < 1
%/Jahr; Huhn et al., 2001). Die Konsequenz ist, dass CCl4 im Tiefenwasser einverlässlicher Tracer ist, was zuvor zweifelhaft war. Ein ähnlicher Vergleich wurde für F113 und F12 Daten durchgeführt (teilweise Daten aus anderen Projekten). Während bisher in der Literatur für F113 immer Stabilität angenommen worden war, zeigte sich in dieser Untersuchung eindeutig, daß es im oberflächennahen, warmen Wasser einen moderaten Abbau von F113 gibt. Die Abbauraten liegen bei ca. 3% pro Jahr und sind offenbar nur schwach von der Temperatur abhängig. Im Tiefenwasser sind dagegen keine nennenswerten Abbauprozesse für F113 erkennbar (Roether et al., 2001).
Aus Daten wie sie in Abb. 2 gezeigt sind, wurde über eine FCKW-Bilanzbetrachtung eine Erneuerungsrate für Antarktisches Zwischenwasser im Atlantik berechnet (Rose, 1999;
Schlosser et al., 2001), die mit Literaturangaben gut konsistent ist, wobei sie von diesen aber methodisch völlig unabhängig ist.
Der Gesamtdatensatz für Tritium im Südatlantik wurde genutzt um eine neue Tritiumeintragsfunktion für den Südatlantik zu erstellen (Butzin und Roether, 2001). In dieser Arbeit werden sowohl Konzentrations- als auch Flussrandbedingungen für Tritium angegeben, die für die Modellierung von Tritium in Zirkulationsmodellen unerlässlich sind. In dieser Arbeit wird auch darauf hingewiesen, dass F11 und Tritium ein geeignetes Tracerpaar für die Verhältnisdatierung darstellen. In der zugrundeliegenden Doktorarbeit (Butzin, 1999)
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wird die Oberflächenrandbedingung hierfür angegeben. Ferner wurden hier die Tritiumdaten auch verwendet, um Erneuerungsraten für das südatlantische Zentralwasser zu berechnen.
In einer Erweiterung der Arbeit von Rüth et al. (2000) ist die Verteilung des primordialen
3He für den kompletten südatlantischen Heliumdatensatz berechnet worden, die u.a. durch Verwendung zusätzlicher, meridionaler Schnitte die Ausdehnung der aus dem Mittelatlantischen Rücken stammenden 3He-Wolke besser festlegen kann. Ein weiterer Fortschritt sind interkalibrierte Nährstoffdaten, nachdem die Originaldaten in der früheren Analyse von Rüth et al. (2000) zu einer relativ großen Unsicherheit in den Wassermassendefinitionen und den analysierten Wassermassenanteilen geführt. Eine weitere Neuerung dieser Analyse ist die korrekte Berücksichtigung der Anteile tritiugenen Heliums, die mit dem Nordatlantischen Tiefenwasser in den Südatlantik eingebracht werden.
In dieser Untersuchung machte die südliche 3He-Randbedingung Probleme, die daraufhin näher untersucht wurde. Es zeigte sich, dass 3He aus den pazifischen primordialen Quellen verstärkt in der Tiefe entlang des westlichen südamerikanischen Kontinentalhangs südwärts strömt um unmittelbar vor der Drakestrasse in den Antarktischen Zirkumpolarstrom einzutreten. Abb. 3 zeigt die Anteile dieses Beitrags in der Drakestrasse von zwei verschiedenen Reisen Meteor M11/5, 1990 und James Clark Ross 40, 1999 (vgl. II.1.3), die starke Struktur aufweisen und örtlich 50 % überschreiten. Die weitere Ausbreitung dieses Signals lässt sich bis zum Nullmeridian verfolgen. U. a. ist zusehen, dass Nordatlantisches Tiefenwasser, das eine ähnliche Dichte aufweist, das Signal im Atlantik rasch überdeckt (Well et al., 2002).
Eine weitere Untersuchung beschäftigt sich mit der Neonverteilung im Ozean. Grundlage ist, dass durch das WOCE-Programm die Datenlage hierfür um mindestens eine Größenordnung verbessert wurde. Da Neon im Ozean völlig inert und Quellen-frei ist, kann es als Grenzfall für die Verteilung anderer Gase dienen. Beipiele für mittlere Neonprofile im Südatlantik zeigt Abb. 4; offenbar sind die Effekte sehr klein, so dass die hohe von uns erreichte Datengenauigkeit (vgl. Tab. 1) unabdingbar ist (Publikation in Vorbereitung).
Darüberhinaus wurden einige Aspekte der Zirkulation im Weddellmeer bearbeitet. Ein Teilaspekt betrifft die Erneuerung des Tiefenwassers aus Quellen, die außerhalb des Weddell Beckens liegen (Hoppema et al., 2001). Die FCKW Daten zeigen dass mindestens 2.7 Sv frischbelüfteten Wassers aus dem Osten entlang des südlichen Schelfs in das Weddellmeer einströmen, was gößenordungsmässig die direkte Belüftung in der Weddellsee selbst erreicht.
Eine Auswertung wiederholter FCKW-Messungen entlang des Null-Grad-Meridians (Klatt et al., 2001) ermöglichte die Anpassung einer Altersverteilung an die FCKW Daten. Als Ergebnis erhält man mittlere Alter und belüftete Anteile in den unterschiedlichen Wassermassen. Die mittleren Alter der belüfteten Anteil sind beschränkt (bis ca. 20 Jahre), jedoch betragen die belüfteten Anteile im Höchstfall nur ca. 20 %. Es ist geplant, hieraus Neubildungsraten von Tiefenwasser zu berechnen.
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