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Gastransferraten auf dem Ozean

Im Dokument Windgeschwindigkeit (u ) [m/s] 10 (Seite 119-152)

7.2 Resultate und Diskussion der Messungen

7.3.2 Gastransferraten auf dem Ozean

Die Ergebnisse der Labormessungen im Heidelberger Wind-Wellen-Kanal (Abschnitt 7.2.2

belegen, daÿ durch den Fit der theoretischen Temperaturverteilung der Wasseroberäche

an diegemessenen Histogramme derTemperaturgradient überdieGrenzschicht (und somit

die Transferrate) zuverlässig bestimmt werden kann. Lediglich inGegenwart eines starken

OberächenlmsbeiniedrigerWindgeschwindigkeit(1-2m/s)unterschätztderFitden

Tem-peraturgradienten (Abbildung 7.13). Diese Einschränkung hat keinerlei Bedeutung für die

Ergebnisse derFeldmessungen, dabeinur 2 der23Meÿreihen dieWindgeschwindigkeit bei

2m/sunddarunterlag(sieheTabelle 7.8)undnicht notwendigerweise indiesen Zeiträumen

einstarkerOberächenlmvorhandengewesenseinmuÿ(vgl.DiskussioninAbschnitt7.3.2).

Wie in Abschnitt 4.3 beschrieben, kann durch den Fit der theoretischen T

emperatur-verteilung an der Wasseroberäche an die gemessenen Histogramme die Temperatur des

Wasserkörpers T

b

abgeschätzt werden. Der Temperaturgradient T über die thermische

Grenzschicht ergibt sich aus der Dierenz zwischen mittlerer Oberächen- und der W

as-serkörpertemperatur (Abschnitt 6.1). Wie bei den Messungen im Labor (Abschnitt 7.2.1)

wird aus den Wärmeüssen an der Wasseroberäche und dem Temperaturgradienten die

Transferrate für Wärmebestimmt unddieGasaustauschrate fürCO

2 bei20

Æ

(Schmidtzahl

Sc=600) berechnet. Der netto Wärmeuÿ j

Q

,welcherzur Berechnung der

Wärmetransfer-0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0.1

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2

"direct covariance method"

"bulk aerodynamic method"

u * [cm/s]

Windgeschwindigkeit u 10 [m/s]

Abbildung 7.23:Wasserseitige Schubspannungsgeschwindigkeit u

?

berechnet nach der 'bulk

aerodynamic method' undder'direct covariance method', aufgetragengegendie

Windge-schwindigkeitu

10

in10mHöhe.DieDatenstammenvon[Edson1999].

SummevonlatentemundsensiblemWärmeuÿ, sowiesolarer Einstrahlung.Die

Meteorolo-gischen Parameter (z.B. Wärmeüsse, Windgeschwindigkeit,

Schubspannungsgeschwindig-keiten, Windrichtung) während der Forschungsfahrt wurden von [Edson1999] gemessen

undzurVerfügunggestellt.DerlatenteundsensibleWärmeuÿ,sowie die

Schubspannungs-geschwindigkeiten (siehe Abbildung 7.23) wurden mit der bulk aerodynamic method, sowie

der directcovariance method,diesolareEinstrahlung mit einem breitbandigen

Photodetek-tor bestimmt. Die Windgeschwindigkeit und Richtung wurde mit einem sonic

anemome-ter gemessen.Die vorliegenden meteorologischen Daten sind alle über einen Zeitraum von

15Minutengemittelt.

In Abbildung7.24sind allewährend derForschungsfahrtgemessenen

Transfergeschwin-digkeitengegendieWindgeschwindigkeit in10mHöheaufgetragen. ZumVergleich sinddie

beiden empirischen Beziehungen von [LissundMerlivat1986] und [Wanninkhof 1992 ]

eingezeichnet. Die Transferraten decken sich mit Messungen anderer Autoren (siehe z.B.

ZusammenfassungvonGasaustauschratenbei[Haussecker undJähne 1995])und folgen

der generell beobachteten Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit. Mit zunehmender

Windgeschwindigkeit steigtdie Gasaustauschrate immerstärkeran.

Die groÿeStreuung derDaten spiegeltdie hohe zeitliche und räumliche Variabilität der

implizierteineinstantaneÄnderungderAustauschrate.Fluktuationen inder Windrichtung

ändernebensodaslokaleWellenfeld,welcheswiederumeinenentscheidendenEinuÿaufdie

Transferrate hat(vgl.DiskussioninAbschnitt7.2.1). DieWindgeschwindigkeitistnichtder

einzige Faktor, der die Transfergeschwindigkeit beeinuÿt. Im wesentlichen wird der

Gas-austausch durchdie oberächennaheTurbulenz reguliert [Jähne etal. 1987 ].

Biologische und chemische Oberächenlme modizieren die Gröÿenskalen (siehe

Ab-schnitt7.2.3)derturbulentenTransportprozesseinderGrenzschicht undverlangsamen den

TransportdurchdieGrenzschicht(vgl.Abschnitt2.1).BeideminAbbildung7.8markierten

Bereich liegen die Transfergeschwindigkeiten relativ niedrig für eine Windgeschwindigkeit

im Bereich von u

10

=5-6m/s. Während einer Meÿreihe (194#3) konnte ein slick auf der

Ozeanoberäche visuellbeobachtet werden. Obwohlnochkeine Resultateüberdie

Konzen-trationvonoberächenaktiven Substanzenvorliegen, liegtdieVermutung nahe,daÿbeiden

markierten Meÿreihenein Oberächenlm gegenwärtig war,derdieTransferrate wesentlich

erniedrigte.

Die Stabilität der Grenzschicht, der Beitrag von Blasen und Regensind weitere F

akto-ren, welche die oberächennahe Turbulenz und somit die Austauschprozesse inder

Grenz-schicht beeinussen. Viele dieser Faktoren sind nicht direkt an die Windgeschwindigkeit

gekoppelt,sodaÿeineBeziehung,dienurdieWindgeschwindigkeitberücksichtigtum

Trans-fergeschwindigkeiten vorherzusagen, wahrscheinlich fehlerhaft ist.Bisherstehen nurwenige

systematischeUntersuchungenüberTurbulenzundderenregulierendenParameterimOzean

zurVerfügung. Experimente inWind-Wellen-Kanälen und auf Seen haben gezeigt, daÿder

WindeinenwesentlichenEektaufdieAustauschprozessehat.FolglichwerdenBeziehungen

zwischen Transferrate und Windgeschwindigkeit weiter verwendet werden, bis eine

umfas-sendere Beschreibung verfügbarwird.

Die breite Abdeckung der während der Forschungsfahrt aufgetretenen

Windgeschwin-digkeitenvon1-9m/serlaubt einesystematischeUntersuchungderAbhängigkeitder

Trans-ferrate von der Windgeschwindigkeit und deren Variabilität. Für alle aufgetretenen

Wind-geschwindigkeiten wurde eine gemittelte Transfergeschwindigkeit berechnet. In Abbildung

7.25 sind die gemittelten Transferraten gegen die Windgeschwindigkeit aufgetragen. Zum

VergleichsindebenfallsdiebeidenempirischenBeziehungen von[Liss undMerlivat1986 ]

und [Wanninkhof 1992] eingezeichnet.

Die Liss-Merlivat Beziehung unterschätzt die gemessenen Austauschraten substanziell.

Dafür lassen sich zwei Gründe anführen. Gegenüber der Wanninkhof Beziehung zeigt die

Liss-Merlivat Beziehung eine schwächere Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit, da

diese auf Daten von Fetch-limitierten Systemen (Seen und Wind-Wellen-Kanäle) basiert.

Experimente in Wind-Wellen-Kanälen haben gezeigt, daÿ der Fetch einen Einuÿ auf das

WellenfeldunddieTransferratehat[Jähne etal.1989],[Wanninkhof und Bliven1991 ].

Somit könnte auchdie oberächennaheTurbulenz, dieden Gasaustausch reguliert, vonder

0 2 4 6 8 10 0

5 10 15 20 25 30

Messdaten:

CoOP Cruise 1997 empirische Beziehungen:

[Liss & Merlivat, 1986]

[Wanninkhof, 1992]

k CO 2 (Sc =60 0) [cm/h]

Windgeschwindigkeit u 10 [m/s]

Abbildung7.24:AllewährendderForschungsfahrtgemessenenTransferratenaufgetragen

ge-gen dieWindgeschwindigkeitin 10m Höhe.Die Transferratensindauf eine Schmidtzahl

vonSc=600(CO

2 bei20

Æ

)normiert.ZumVergleichsinddiebeidenempirischen

Beziehun-genvon[LissundMerlivat1986]und[Wanninkhof 1992]eingezeichnet.DieT

ransfer-raten folgen der generell beobachteten Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit. Mit

zunehmender Windgeschwindigkeit steigt die Gasaustauschrate immer stärker.Bei dem

markierten Bereich liegen die Transferraten relativ niedrig für den Bereich von5-6m/s.

Die Vermutung liegtnahe,daÿeinOberächenlmgegenwärtigwar,derdieTransferrate

wesentlich erniedrigte.Dasbinning derTransferratenkommtzustande,da dieDatender

Windgeschwindigkeitals15MinutenMittelwertevorliegenunddieGasaustauschratenmit

MeÿzeitraumshatebenfallseinensignikantenEinuÿaufdieAustauschrate. Wenndie

Be-ziehung zwischen Austauschrateund Windgeschwindigkeitnicht linearist,odernicht durch

denUrsprungverläuft,sinddieberechnetenTransfergeschwindigkeitenbeieinerbestimmten

mittleren Windgeschwindigkeit abhängig von derVerteilung der Windgeschwindigkeit. Die

meistenexperimentellenResultateschlageneinepositive Krümmung fürdieBeziehung vor,

so daÿ eine Transfergeschwindigkeit, gemittelt über eine lange Zeitperiode mit variablem

Wind, höher ist als eine Transfergeschwindigkeit, die bei der selben, allerdings

gleichblei-benderWindgeschwindigkeit gemessen wurde.Die Beziehung von Liss-Merlivat basiert auf

Transferraten, die bei beständigen Bedingungen und im Vergleich zu anderen Messungen

beirelativkurzen Zeitintervallen gemessen wurden.Folglichist esnicht verwunderlich, daÿ

diese Beziehung Gasaustauschraten auf demOzean, bei denen einen hohe Variation inder

Windgeschwindigkeit auftritt, zu niedrigvoraussagt.

DieWanninkhof BeziehungberücksichtigtdieVariationinderWindgeschwindigkeitund

legt dafür die Rayleigh Verteilung zugrunde, die eine vernünftige Näherung für die

globa-le Verteilung derWindgeschwindigkeit über dem Ozean darstellt[Wentz etal.1984 ]. Die

währendderForschungsfahrtfürjedederaufgetretenenWindgeschwindigkeiten gemittelten

Transferraten folgen dem Verlauf der Wanninkhof Beziehung, wobei die Abweichung von

diesermitzunehmenderWindgeschwindigkeit immerkleiner wirdund beihöheren

Windge-schwindigkeiten eineguteÜbereinstimmung zeigt (sieheAbbildung 7.25).

Bei den beiden empirischen Beziehungen geht die Transferrate gegen Null, wenn kein

Windvorhandenist.BeiallenempirischenBeziehungenwirddieErhöhungder

Austauschra-te bei niedrigen Windgeschwindigkeiten für CO

2

durch chemische Reaktion vernachlässigt

[Wanninkhof 1992 ]. Die auf dem Ozean gemessen Transferraten zeigen einen Oset bei

niedrigen Windgeschwindigkeiten. Da Wärme als Tracer für Gases verwendet wurde, ist

dieserOsetnichtdurchchemischeReaktion,wie beimCO

2

-Austausch,zuerklären.Im

La-bor [Ocampo-Torresetal. 1994 ],sowie auf Seen [Clark etal. 1995b ]ist beiden Daten

verschiedener Autoren ebenfallsein OsetderTransferrate beisehrkleinen

Windgeschwin-digkeiten zu beobachten. Folglich muÿ eine nicht direkt vom Wind getriebene Quelle für

oberächennahe Turbulenz existieren. Unter der Annahme,daÿ eine solche Quelle auch in

Fluÿmündungen vorhanden ist, schlägt [Clark etal.1995a ] anhand von Messungen mit

DualTracer Techniken imHudsonRiver undMassenbilanzmethodenimSanFranciscoBay

folgende Abhängigkeit derTransferrate k vonderWindgeschwindigkeit u

10

in der Einheit von [cm/h] und u

10

in [m/s] angegeben ist. Auch bei den

auf dem Ozean gemessenen Austauschraten ndet sich eine bessere Korrelation mit der

Windgeschwindigkeit, wenn ein Oset der Transfergeschwindigkeit bei sehr kleinen

Wind-geschwindigkeiten angenommenwird.Ausdengemittelten Transferraten inAbbildung 7.25

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0

5 10 15 20 25 30

Messdaten:

CoOP Cruise 1997 empirische Beziehungen:

[Liss & Merlivat, 1986]

Wanninkhof, 1992]

[

Windgeschwindigkeit u 10 [m/s]

k CO 2 (Sc =60 0) [cm/h]

Abbildung7.25:FüralleWindgeschwindigkeitengemittelteTransferraten,aufgetragengegen

die Windgeschwindigkeit. Die empirischen Beziehungen von [LissundMerlivat1986]

und[Wanninkhof1992]sindebenfallseingezeichnet.DieLiss-MerlivatBeziehung

unter-schätztdiegemessenenAustauschratensubstanziell.DieTransferratenfolgendemVerlauf

der Wanninkhof-Beziehung, wobei die Abweichung von dieser mit zunehmender

Wind-geschwindigkeitimmer kleiner wird. Bei sehr kleinen Windgeschwindigkeiten zeigen die

gemessenenDateneinenOsetderTransfergeschwindigkeitgegenüberdenbeiden

empiri-0.1 1 10 1

10 100

Messdaten:

CoOP Cruise 1997 Theorie:

glatte Oberfläche rauhe Oberfläche

k CO 2 (Sc =6 00 ) [cm /h]

u * [cm/s]

1

12.1 Sc -2/3 u k = *

1

16 Sc -1/2 u k = *

Abbildung 7.26:Transferraten als Funktion der Schubspannungsgeschwindigkeit im Wasser

in doppelt-logarithmischerDarstellung.Die Transferratensindauf eine Schmidtzahl von

Sc=600(CO

2 bei20

Æ

)normiert.Eingezeichnetsindebenfalls dietheoretischenWertefür

eine glatte Wasseroberäche nach dem Diusionsmodell und füreine rauhe

Wasserober-k

Bei bisherigen Felddaten wurde die Beziehung Gasaustauschrate/Windgeschwindigkeit

mitPotenzengettet,wobeiExponentenimBereichvon1.5[Hartman und Hammond1984 ]

bis2.2 [Broecker etal.1985 ] vorgeschlagen wurden.

Als Ursache für den Oset bei niedrigen Windgeschwindigkeiten lassen sich mehrere

Gründe anführen. Zum einen verursacht reine Diusion in einem ruhenden Medium

mole-kularenTransportdurchdieGrenzschicht.Beieinem Experiment imTankdesNASA

Rain-Sea Interaction Facility [Hoetal. 1997], ergab sicheine Austauschratevon k

600

=0.5cm/h

in Abwesenheit von Wind und bei keinerlei Bewegung des Wasserkörpers. Auf dem Ozean

sindGravitationswellenimmer anwesendunddieWasseroberächekommtimGegensatz zu

einem TankoderWind-Wellen-Kanal niezurRuhe.DieständigeBewegung desW

asserkör-persinduziertoberächennaheTurbulenz,dieden Gasaustauschzwischen Atmosphäre und

Ozean verstärkt,auch wenn keinWind über dieWasseroberäche streicht.

In Abbildung 7.26sinddiegemessenen Austauschraten indoppelt-logarithmischer

Dar-stellungalsFunktiongegendieSchubspannungsgeschwindigke itimWasseraufgetragen.

Ein-gezeichnet sind ebenfalls die theoretischen Werte für eine glatte und rauhe

Wasseroberä-che. Die Werte für eine glatte Oberäche stellen auf dem Ozean eine Untergrenze für die

Transferraten dar.Es ist zubeobachten, daÿ dieStreuungderDaten mitsteigender

Schub-spannungsgeschwindigkeit geringer wird. Bis zu einer Schubspannungsgeschwindigkeit von

u

?

0.5-0.7cm/s liegendieTransferraten imBereichdertheoretischen Wertefür einerauhe

Oberäche. Danach ist einSprung inderTransferrate zu erkennen,d.h. derT

ransferwider-stand desImpulsesüberdieGrenzschichtwirdkleiner.DieserÜbergangsbereichdecktsich

mit den Resultaten der Skalenanalyse (Abschnitt 7.3.3), bei denen ein Übergang der

Do-minanzderGröÿenskalenderTemperaturuktuationen indiesemBereich(u

10

4.5-5.5m/s)

zu erkennen ist.

InAbbildung7.27istdieTransferratefürvierverschiedeneMeÿreihengegendieZeit

auf-getragen. Die beiden Zeitserien in Abbildung 7.27a und 7.27b sind bei annähernd gleicher

Windgeschwindigkeit (u

10

=4.2m/sund 3.8m/s) aufgenommenworden. Währendbei7.27a

die Austauschrate innerhalb einer Stunde nahezu konstant bleibt (k

600

=6.250.65cm/h)

uktuiert die Transfergeschwindigkeit bei derZeitserie 7.27b zwischen k

600

=4 und 9cm/h.

Konventionelle Methoden,die den Gasaustausch mit einer wesentlich geringeren zeitlichen

Auösunguntersuchen,sindnichtinderLagesolcheFluktuationeninder

Transfergeschwin-digkeitaufzulösen. Ein zeitliches Mittelder beiden Serien liefertanäherend dasgleiche

Re-sultat für die Transfergeschwindigkeit (k

600

=6.25cm/h und 6.05cm/h). Das gleiche

Ver-halten ist in Abbildung 7.27c und 7.27d bei wesentlich höheren Windgeschwindigkeiten

(u

10

=7.9m/s und 7.3m/s) zu beobachten. Die Variation in der Austauschrate ist bei der

Zeitserie inAbbildung 7.27dum ungefähr einen Faktor zwei gröÿer als beider Zeitseriein

7.27d.

08:20 08:30 08:40 08:50 09:00 09:10 09:20 09:30

14 Jahrestag 194 (Messung #2)

Mittlere Windgeschwindigkeit: 4.2 m/s

k CO 2 (Sc =6 00 ) [cm /h]

UTC Zeit [hh:mm]

09:20 09:30 09:40 09:50 10:00 10:10 10:20 10:30 10:40

0

14 Jahrestag 193 (Messung #1)

Mittlere Windgeschwindigkeit: 3.8 m/s

k CO 2 (Sc =60 0) [ c m /h]

UTC Zeit [hh:mm]

00:10 00:20 00:30 00:40 00:50 01:00 01:10

0

Jahrestag 191 (Messung #1) Mittlere Windgeschwindigkeit: 7.3 m/s 100s Mittelwert

k CO 2 (Sc =60 0) [ c m /h]

UTC Zeit [hh:mm]

01:30 01:45 02:00 02:15 02:30 02:45 03:00

0

Jahrestag 191 (Messung #2) Mittlere Windgeschwindigkeit: 7.9 m/s 100s Mittelwert

k CO 2 (Sc =60 0) [ c m /h]

UTC Zeit [hh:mm]

100s Mittelwert 100s Mittelwert

Abbildung7.27:TransferratefürverschiedeneMeÿreihengegendieZeitaufgetragen.Die

bei-den Zeitserien(a)und(b), sowie(c)und (d)sindjeweilsbeiannäherndgleicher

Wind-geschwindigkeitaufgenommen.Währendbei(a)dieAustauschrateinnerhalbeinerStunde

nahezukonstantbleibtuktuiertdieTransfergeschwindigkeitbei(b)sehrstark.Dasgleiche

Verhaltenistin(c)und(d)beiwesentlichhöherenWindgeschwindigkeitenzubeobachten.

Abbildung 7.28 zeigt daszeitliche Verhalten der Gasaustauschrate während einer

Meÿ-reihebeiderleichterundstarkerRegenfallauftrat.NachEnde einesleichtenRegenschauers

fällt die Transferrate von k

600

=9.1cm/h auf k

600

=5.7cm/h und steigt mit dem Einsetzen

von starkem Regen sogar bis auf k

600

=20cm/h an. Während der gesamten Meÿreihe war

die Windgeschwindigkeit nahezu konstant (u

10

=3.30:41m/s) und eine Transferrate von

k

600

=5.8cm/hstelltbeidieserWindgeschwindigkeiteinenrealistischenWertda(vgl.

Abbil-dung 7.25).Die Gasaustauschratezeigt eine signikanteErhöhung beiRegenfall, und zwar

umsomehr,je stärkerderRegenist.

BisherwurdenrelativwenigeStudienzurUntersuchungdesEinussesvonRegenaufdie

10:10 10:20 10:30 10:40 10:50 11:00 11:10 11:20 11:30 11:40

Jahrestag 192 (Messung #1) Mittlere Windgeschwindigkeit: 3.3 m/s

100s Mittelwert

k CO 2 (Sc =60 0) [ c m /h]

UTC Zeit [hh:mm]

kein Regen

leichter Regen starker Regen

Abbildung 7.28:Zeitliches Verhalten der Gasaustauschrate während einer Meÿreihe bei

der leichter und starker Regenfall auftrat. Nach Ende eines leichten Regenschauers

fällt die Transferrate von k

600

=9.1cm/h auf k

600

=5.7cm/h und steigt mit dem

Ein-setzen von starkem Regen sogar bis auf k

600

=20cm/h an. [Bankset al.1984] und

[BelangerundKorzun 1991] beobachteten ebenfalls eine signikante Erhöhung der

GasaustauschratebeiRegen.

daÿ Regen für das schnelle ansteigen der Gasaustauschrate während des Experiment

ver-antwortlich sein könnte. Fürleichten Regenschlägt [Banks etal. 1984 ],basierend auf

La-borergebnissen eine Potenzabhängigkeit, [Belanger undKorzun 1991 ] aus F

elduntersu-chungen eine lineare Beziehung zwischen Gasaustausch und Regenrate vor. Systematische

Untersuchung mit zwei Tropfengröÿen und verschiedenen Regenraten im NASA Rain-Sea

Interaction Facility (RSIF) von [Ho etal.1997 ] bestätigen eine signikante Erhöhung der

Austauschrate beiRegenfall. Im Vergleich zueinem Kontrollexperiment erhöhtleichter

Re-gen (10-30mm/h) die Transferrate um k

600

=10-20cm/h, starker Regen (60-80mm/h) die

Transferrate umk

600

=50-60cm/h. DieseTransfergeschwindigkeiten korrespondierenbei

rei-ner windinduzierter Turbulenz einer Windgeschwindigkeit von ungefähr u

10

=7m/s bzw.

12m/s (vgl.Abbildung 7.25).

Die beobachteteErhöhungderTransfergeschwindigkeit aufdemOzean währenddes

Re-genfalls (k

600

=3.4cm/h bei leichtem und k

600

=14.3cm/h bei starkem Regen, siehe

Abbil-Im Gegensatz zum Labor haben bei Regen auf dem Ozean weitere Faktoren (z.B.

Anwe-senheit von Wellen, Salzgehalt nahe der Oberäche, Temperatur der Regentropfen) einen

entscheidenden Einuÿ auf die Austauschvorgänge in der Grenzschicht. Die dabei

konkur-rierenden Prozesse, welche die Transferrate erniedrigen bzw. erhöhen sindin Abschnitt 4.1

beschrieben. Die Erhöhung der Turbulenz durch den Einschlag der Regentropfen in die

Wasseroberäche scheint derdominierendeEektzu sein.Die Einschläge sind tieferalsdie

Grenzschicht und führen zu einer Erneuerung der Oberäche durch tiefer liegende W

as-serschichten. Die bessere Durchmischung des Wasserkörpers führt zu einer Erhöhung der

Austauschrate.

[Schlüssel etal.1997 ] und [Craeyeund Schlüssel1998 ] untersuchten den Einuÿ

von Regenfall auf der Ozeanoberäche in Bezug auf Oberächenerneuerungseekte. Nach

detaillierter Betrachtung derdirekten undindirekten EektedesRegenkommen die

Auto-ren ebenfalls zu dem Schluÿ, daÿ mit steigender Regenrate die Zeitperiode zwischen zwei

Erneuerungseekten an der Oberäche verkürzt und dem entsprechend die Austauschrate

signikant erhöht wird.

7.3.3 Skalenanalyse

Die Motivation für eine Skalenanalyse ist analog zu der bei den Labormessungen im

Hei-delberger Wind-Wellen-Kanal. Um einen Einblick in die turbulenten Transportprozesse in

der Grenzschicht zu erhalten, wird die Gröÿen- und Richtungsverteilung der auftretenden

Temperaturmuster statistisch ausgewertet.Im Vordergrund steht dieFragestellung, obsich

aufdemOzeaneinähnlichesVerhaltenderSkalenwieimLaborzeigt,bzw.woUnterschiede

auftretenundwiediesezuerklärensind.DieverwendeteMethodesowiedieAuswertungder

Daten istdie gleichewie beiden Labordaten (Abschnitt 7.2.3).

DerbeobachteteBildausschnittaufderOzeanoberächebetrugwährendder

Forschungs-fahrt7070cm. Ausden Transferfunktionen(Abbildung6.6)desverwendeten

Glättungsl-ters(Gleichung6.9)zurBerechnungderverschiedenenEbenenderLaplacepyramideergeben

sichfür dieeinzelnen Ebenen der Laplacepyramide diein Tabelle 7.9aufgeführten

Schwer-punktwellenzahlen, bzw. Strukturgröÿen.

Fürjededer7369währendderForschungfahrtaufgenommenenBildsequenzenwurdedie

StandardabweichungaufjederPyramidenstufeberechnetunddieRauschvarianzder

entspre-chenden Ebene subtrahiert, die sich aus der Temperaturkalibrierung der Infrarot-Kamera

(Abschnitt 7.1) ergeben hat. Einehohe Standardabweichung auf einer Ebene bedeutet

ho-he Temperaturuktuationen indieserGröÿenskala,da jede Ebene derLaplacepyramide ein

bestimmtes Intervall vonStrukturgröÿen darstellt(sieheTabelle 7.9).

InAbbildung7.29istdieStandardabweichungderTemperaturderkleinenSkalen(a),der

Schwerpunktwellenzahlen und Strukturgröÿen auf der Laplacepyramide

Ebene Schwerpunkt- Schwerpunkt- Struktur- Bemerkung

wellenzahl wellenlänge gröÿen

k[rad/m] [cm] von-bis [cm]

0 574.5 1.09 0.85 - 1.45 'kleineSkalen'(L0)

1 287.2 2.18 1.68 - 3.13

2 143.6 4.37 3.37 - 6.25 'mittlere Skalen' (L2)

3 71.8 8.75 6.75 - 12.5

4 35.9 17.5 13.5 - 25.0 'groÿe Skalen' (L4)

Tabelle 7.9: Berechnete Schwerpunktwellenzahlen, Schwerpunktwellenlängen und

Struktur-gröÿenaufdenEbenennullbisvierderLaplacepyramidebeieinemBildausschnittaufder

Wasseroberächevon7070cm.

DieStreuungderDatenist wesentlichgröÿer alsbeidenLabormessungen im

Wind-Wellen-Kanal.Diesistdaraufzurückzuführen,daÿdieBedingungenbeidenExperimentenimLabor

konstant gehalten wurden, während auf dem Ozean dieUmweltbedingungen häug groÿen

Fluktuationenunterworfenwaren(vgl.DiskussionAbschnitt7.3.2).ImWind-Wellen-Kanal

war die Wasseroberäche entweder sauber oder ein starker Oberächenlm gegenwärtig.

DieErgebnisse derSkalenanalysederLabormessungenbelegen,daÿeinOberächenlm die

Gröÿenskalen der turbulenten Temperaturuktuationen modiziert (vgl. Abschnitt 7.2.3).

AufdemOzeanläÿtsichnichtsoeinfachzwischensaubererOberächeundderAnwesenheit

einesOberächenlmunterscheiden.EineVielzahlbiologischerundchemischerVorgängeim

Ozean beeinussen dieBeschaenheit derOberäche.

Trotz des immensen Unterschiedes zwischen Ozean und Wind-Wellen-Kanal zeigen die

Temperaturuktuationen das gleiche Verhalten auf den verschiedenen Skalen. Mit

zuneh-mender Windgeschwindigkeit nimmt die Häugkeit der kleinen Skalen zu, die der groÿen

Skalennimmt ab,und dieder mittleren Skalen liegt bei allen Windgeschwindigkeiten etwa

in der gleichen Gröÿenordnung (siehe Abbildung 7.29). Die Absolutwerte der

Standardab-weichung sindbeidenFelddatenungefähr einenFaktor zwei gröÿerund dieAbnahmebzw.

ZunahmederHäugkeitebenfallswesentlich gröÿeralsbeidenLabordaten(vgl.Abbildung

7.14).

Umeine AussageüberdieDominanzderverschiedenen Skalenmachenzu können,bzw.

dieErgebnissemitdenDatenderLabormessungen(Abschnitt7.2.3)vergleichen zukönnen,

wurdendieVerhältnissederStandardabweichungenderTemperaturenaufdenverschiedenen

Pyramidenstufen berechnet. Abbildung 7.30zeigt die Verhältnisse der

Standardabweichun-gen von: (a) kleinen zu mittleren Skalen, (b) kleinen zu groÿen Skalen und (c) groÿen zu

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

kleine Skalen (L0)

σ Tem peratur

mittlere Skalen (L2)

Tem peratur

große Skalen (L4)

σ Tem peratur

Windgeschwindigkeit [m/s]

σ

Abbildung 7.29:StandardabweichungderTemperaturder(a)kleinenSkalen(Ebene0), (b)

mittlerenSkalen(Ebene2)und(c)groÿenSkalen(Ebene4)inAbhängigkeitvonder

Wind-geschwindigkeit.DieTemperaturuktuationenzeigenaufdemOzeandasgleicheVerhalten

auf denverschiedenenSkalenwieimWind-Wellen-Kanal.

DieÄhnlichkeitimVerhaltenderSkalenzwischendenLabor-undFelddatenwird

beson-ders bei den Verhältnissen der Standardabweichungen der Temperaturuktuationen

deut-lich. Auch auf dem Ozean sind bei niedrigen Windgeschwindigkeiten (1-2m/s) die groÿen

Skalen gegenüber den kleinen Skalen absolut dominant (Faktor 8, wie im

Wind-Wellen-Kanal). Beieiner Windgeschwindigkeit von 4-6m/s kommen diekleinen undgroÿenSkalen

auf dem Ozean etwa gleich häug vor. Mit zunehmender Windgeschwindigkeit treten die

kleiner Skalenimmer häugeraufunddominieren gegenüberdengroÿenSkalen(Faktor 4

bei8-10m/s,im Wind-Wellen-Kanal:Faktor 4 bei6-7m/sund sauberer Oberäche).

Ein Unterschiedzwischen Ozeanund Wind-Wellen-Kanal ergibt sichjedochbeim

Über-gang derDominanz(VerhältnisderHäugkeiten gleicheins) derverschiedenenSkalen.

Die-ser 'Equilibrium'-Bereich liegt bei sauberer Oberäche im Wind-Wellen-Kanal bei3-4m/s

(vgl. Abbildung 7.14a) und verschiebt sich inGegenwart eines starken Oberächenlms in

einWindgeschwindigkeitsregime von6-7m/s (vgl.Abbildung7.14b).AufdemOzeanndet

dieserÜbergangjenach SkalaineinemBereichderWindgeschwindigkeit von4-6m/sstatt.

Verglichen mit den Resultaten ausdem Laborexperiment liegtderEquilibrium-Bereich bei

den Ozeandatengenau zwischendembeisauberer Oberäche undinGegenwart eines

star-ken Oberächenlms imWind-Wellen-Kanal.

star-ken Oberächenlms imWind-Wellen-Kanal.

Im Dokument Windgeschwindigkeit (u ) [m/s] 10 (Seite 119-152)