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I n s t i t u t für Meereskunde an der

Christian-Albrechts-Universität, K i e l Nr. 133

F e i n s t r u k t u r e n In der j a h r e s z e i t l i c h e n Sprungschicht im JASIN-Gebiet

F i n e s t u c t u r e i n the seasonal thermocline d u r i n g JASIN

von

Michaela K n o l l

T)ÖI ¿ 0 . 2 > L % 3 i S E R - A l

Kopien d i e s e r A r b e i t können bezogen werden von:

Michaela K n o l l

I n s t i t u t für Meereskunde Abt. Meeresphysik

Düsternbrookerweg 20 2300 K i e l

ISSN 0341-8561 1984

I n h a l t s v e r z e i c h n i s

S e i t e

1. E i n l e i t u n g und Z i e l s e t z u n g 1

2. Datensatz 3 2.1. Meßprogramm und Meßgebiet 3

2.2. Meßgeräte und Meßgenauigkeit 5 3. Hydrographische Verhältnisse während 7

d e r M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t e

3.1. E r s t e s M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t 7 3.2. Zweites M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t 12 4. Feinstrukturbeobachtungen i n n e r h a l b 20

d e r j a h r e z e i t l i c h e n Sprungschicht

5. Ursachen der F e i n s t r u k t u r e n 29 5.1. Methoden zur Separierung der 30

u n t e r s c h i e d l i c h e n Entstehungsprozesse

5.2. D o p p e l d i f f u s i o n 37 5.3. Einschübe fremder Wasserkörper 44

5.4. Interne Wellen und t u r b u l e n t e Vermischung 49

5.4.1. R e v e r s i b l e F e i n s t r u k t u r e n 49 5.4.2. I r r e v e r s i b l e F e i n s t r u k t u r e n 56 5.4.3. V e r g l e i c h der gemessenen Temperatur- 61

s t r u k t u r mit t h e o r e t i s c h e n Modellen

5.4.4. Abschätzung des t u r b u l e n t e n D i f f u s i o n s - 72 k o e f f i z i e n t e n

6. S p e k t r a l a n a l y s e der F e i n s t r u k t u r 75

6.1. S p e k t r a l a n a l y s e 75 6.2. Theoretische Modelle der 81

Feins t r u k t u r s p e k t r e n

6.3. F e i n s t r u k t u r e n i n der Hauptsprungschicht 85 6.4. F e i n s t r u k t u r e n i n der j a h r e s z e i t l i c h e n 89

Sprungschicht

6.4.1. B i s h e r i g e Meßergebnisse 89 6.4.2. F e i n s t r u k t u r e n im JASIN-Gebiet 90

6.5. V e r g l e i c h der F e i n s t r u k t u r e n i n der 110 Haupt- und j a h r e s z e i t l i c h e n Sprungschicht

7. Zusammenfassung 112 L i t e r a t u r v e r z e i c h n i s 116

2. Data set 3

2.1. Programme and region of the JASIN 3 expe riment

2.2. Instruments and accuracy 5 3. Hydrography during the m u l t i s h i p experiments 7

3.1. F i r s t m u l t i s h i p experiment. 7 3.2. Second m u l t i s h i p experiment 12 4. F i n e s t r u c t u r e o s e r v a t i o n s i n the seasonal 20

the rmocline

5. Sources of f i n e s t r u c t u r e 29 5.1. Methods of d i s c r i m i n a t i o n between 30

d i f f e r e n t sources of the f i n e s t r u c t u r e

5.2. D o u b l e - d i f f u s i o n 37

5.3. I n t r u s i o n s 44 5.4. I n t e r n a l waves and turbulent mixing 49

5.4.1. R e v e r s i b l e f i n e s t r u c t u r e 49 5.4.2. I r r e v e r s i b l e f i n e s t r u c t u r e 56 5.4.3. Comparison of the observed temperature 61

s t r u c t u r e w i t h t h e o r e t i c a l models

5.4.4. E s t i m a t i o n of the turbulent d i f f u s i v i t y 72

6. S p e c t r a l a n a l y s i s of f i n e s t r u c t u r e 75

6.1. S p e c t r a l a n a l y s i s 75 6.2. T h e o r e t i c a l models of f i n e s t r u c t u r e s p e c t r a 81

6.3. F i n e s t r u c t u r e i n the main thermocline 85 6.4. F i n e s t r u c t u r e i n the seasonal thermocline 89

6.4.1. E a r l i e r measurements 89 6.4.2. F i n e s t r u c t u r e i n the JASIN area 90

6.5. Comparison of f i n e s t r u c t u r e i n the main 110 and seasonal thermocline

7. Conclusions 112 References 116

Im Rahmen des ' J o i n t A i r - S e a I n t e r a c t i o n P r o j e c t * ( J A S I N ) , das 1978 i m N o r d o s t - A t l a n t i k s t a t t f a n d , w u r d e n z a h l r e i c h e F e i n s t r u k t u r e n d e r Tempe- r a t u r - und S a l z g e h a l t s v e r t e i l u n g i n n e r h a l b d e r j a h r e s z e i t l i c h e n S p r u n g - s c h i c h t b e o b a c h t e t . E i n Z i e l d i e s e r A r b e i t w a r , e i n e B e s c h r e i b u n g d i e s e r F e i n s t r u k t u r e n z u e r s t e l l e n und d i e d o m i n i e r e n d e n P r o z e s s e z u e r m i t t e l n , d u r c h d i e s i e e r z e u g t w o r d e n w a r e n .

D i e u m f a n g r e i c h e n Datensätze ermöglichten e i n e s t a t i s t i s c h e E r f a s s u n g d e r L a g e , d e r A u s d e h n u n g und d e r Intensität d e r F e i n s t r u k t u r e n . D a b e i w i e s e n d i e V e r t e i l u n g e n d e r v e r t i k a l e n A u s d e h n u n g e n e i n e n e x p o n e n t i e l l e n A b f a l l a u f . D i e m i t t l e r e n v e r t i k a l e n S k a l e n l a g e n b e i 3 m, w o b e i a l l e r d i n g s n u r d i e S c h i c h t e n erfaßt w u r d e n , d i e m i n d e s t e n s 1 m d i c k w a r e n . Das Verhältnis d e r v e r t i k a l e n z u r h o r i z o n t a l e n Ausdehnung war v o n d e r Größenordnung 1:100.

B e i d e r B e t r a c h t u n g d e r u n t e r s c h i e d l i c h e n E r z e u g u n g s m e c h a n i s m e n z e i g t e s i c h , daß D o p p e l d i f f u s i o n s p r o z e s s e n u r s e l t e n a u f t r a t e n , d a s o w o h l d i e Tem- p e r a t u r a l s a u c h d e r S a l z g e h a l t m e i s t s t a b i l g e s c h i c h t e t w a r e n . Auch Einschübe f r e m d e r Wasserkörper i n Frontnähe t r a t e n kaum a u f . Zwar k o n n t e n t h e r m o h a l i n e F r o n t e n i n d e r D e c k s c h i c h t b e o b a c h t e t w e r d e n , d i e m i t m e s o s k a - l i g e n W i r b e l n und F r o n t e n v e r b u n d e n w a r e n , a b e r s i e w a r e n n u r s e h r schwach ausgeprägt, und d i e T e m p e r a t u r - und S a l z g e h a l t s g r a d i e n t e n k o m p e n s i e r t e n s i c h bezüglich d e r D i c h t e .

W e i t e r h i n w u r d e n d i e Einflüsse des i n t e r n e n W e l l e n f e l d e s b e t r a c h t e t , d a s s o w o h l r e v e r s i b l e a l s auch i r r e v e r s i b l e F e i n s t r u k t u r e n h e r v o r r u f e n k a n n . B e i den i r r e v e r s i b l e n S t r u k t u r e n s c h i e n e n Scherungsinstabilitäten v o n größerer B e d e u t u n g z u s e i n a l s k o n v e k t i v e , da s i c h c i r c a 50% d e r d u r c h - m i s c h t e n S c h i c h t e n im B e r e i c h d e r m a x i m a l e n S c h e r u n g b e f a n d e n , a b e r Tem- p e r a t u r i n v e r s i o n e n und vollständige V e r m i s c h u n g s p r o z e s s e n u r s e l t e n b e o b a c h t e t w u r d e n . E i n V e r g l e i c h d e r gemessenen T e m p e r a t u r s t r u k t u r e n m i t z w e i t h e o r e t i s c h e n M o d e l l e n z e i g t e , daß d e n Datensätzen v o n F.S. ' M e t e o r ' im B e r e i c h e i n e r o z e a n i s c h e n F r o n t o f t m a l s i r r e v e r s i b l e F e i n s t r u k t u r e n z u g r u n d e l a g e n , während d i e M e s s u n g e n v o n W.F.S. ' P l a n e t ' außerhalb d e r F r o n t e h e r dem M o d e l l für r e v e r s i b l e S t r u k t u r e n e n t s p r a c h e n . D i e v e r t i k a l e n W e l l e n z a h l s p e k t r e n d e r T e m p e r a t u r w i e s e n d a b e i Abfälle a u f , d i e dement- s p r e c h e n d z u u n t e r s c h i e d l i c h e n Z e i t e n z w i s c h e n -2 u n d -3 l a g e n . D i e b e r e c h - n e t e n S c h i c h t u n g s p a r a m e t e r z e i g t e n e i n e e i n d e u t i g e Dominanz d e r v e r t i k a l e n P r o z e s s e i n d e r j a h r e s z e i t l i c h e n S p r u n g s c h i c h t .

Abschätzungen d e r v e r t i k a l e n t u r b u l e n t e n D i f f u s i o n s k o e f f i z i e n t e n m i t H i l f e d e r C o x - Z a h l e n e r g a b e n Größenordnungen von 1 0-^m^s 1 un d l a g e n d a m i t im B e r e i c h d e r m o l e k u l a r e n D i f f u s i o n s k o e f f i z i e n t e n .

Während i n d e r j a h r e s z e i t l i c h e n S p r u n g s c h i c h t d a s i n t e r n e W e l l e n f e l d d o m i - n i e r t e , b e r u h t e n d i e F e i n s t r u k t u r e n i n t i e f e r e n R e g i o n e n des J A S I N - G e b i e t s o f t m a l s a u f Einschüben f r e m d e r Wasserkörper, d i e größere v e r t i k a l e S k a l e n besaßen. D i e Form d e r v e r t i k a l e n W e l l e n z a h l s p e k t r e n i n d e r j a h r e s z e i t l i c h e n S p r u n g s c h i c h t e n t s p r a c h i m a l l g e m e i n e n j e n e r aus d e r H a u p t s p r u n g s c h i c h t v e r s c h i e d e n e r Meßgebiete, so daß w o h l i n s g e s a m t ähnliche p h y s i k a l i s c h e P r o - z e s s e i n b e i d e n B e r e i c h e n z u g r u n d e l i e g e n . A l l e r d i n g s war d a s N i v e a u d e r S p e k t r e n um c i r c a e i n e n F a k t o r 10 größer.

seasonal thermocline. One aim of t h i s work was to d e s c r i b e these s t r u c t u r e s and to determine the dominating generating processes.

A l a r g e number of data permitted a s t a t i s t i c a l a n a l y s i s of the p o s i t i o n s , the extensions and the i n t e n s i t i e s of those f i n e s t r u c t u r e s . The d i s t r i b u - t i o n s of the v e r t i c a l extensions showed an exponential decrease. The mean v e r t i c a l s c a l e s were 3 m, but only l a y e r s t h i c k e r than 1 m could be

recorded. The r a t i o of the v e r t i c a l to the h o r i z o n t a l extension was 1:100.

An examination of the d i f f e r e n t sources showed that d o u b l e - d i f f u s i v e pro- cesses occured very seldomly, because temperature as w e l l as s a l i n i t y was mostly s t a b l y s t r a t i f i e d . Also i n t r u s i o n s were r a r e l y observed although weak thermohaline f r o n t s were found i n the upper ocean. They were embedded i n mesoscale eddies and f r o n t s with weak h o r i z o n t a l d e n s i t y g r a d i e n t s where temperature g r a d i e n t s were n e a r l y compensated by s a l i n i t y g r a d i e n t s .

Also the i n f l u e n c e of the i n t e r n a l wave f i e l d was considered which can generate r e v e r s i b l e as w e l l as i r r e v e r s i b l e f i n e s t r u c t u r e s . The i r r e v e r - s i b l e s t r u c t u r e s apparently were produced by shear r a t h e r than by c o n v e c^- t i v e i n s t a b i l i t y . About 50% o f the quasihomogenous l a y e r s were found i n the region of maximum shear, hut temperature i n v e r s i o n s and complete mixing processes were observed very seldomly. A comparison between the measured temperature s t r u c t u r e and two t h e o r e t i c a l models showed that i n the data s e t s of F.S. 'Meteor' i n the region of an oceanic f r o n t o f t e n i r r e v e r s i b l e f i n e s t r u c t u r e s were observed while the measurements of W.F.S. ' P l a n e t ' outside the f r o n t corresponded more c l o s e l y to the model f o r r e v e r s i b l e s t r u c t u r e s . The slope of the v e r t i c a l wave number s p e c t r a of temperature v a r i e d a c c o r d i n g l y during d i f f e r e n t times between -2 and -3. The computed s t r a t i f i c a t i o n parameters showed that v e r t i c a l processes were dominant i n t h e seasonal thermocline.

E s t i m a t i o n s of the v e r t i c a l t u r b u l e n t d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t of temperatxire based on Cox numbers y i e l d an order of 10"? m^s~^, c l o s e l y corresponding t o the molecular v a l u e s .

While i n the seasonal thermocline the f i n e s t r u c t u r e was dominated by the i n t e r n a l wave f i e l d , i n t r u s i o n s with l a r g e r v e r t i c a l s c a l e s o f t e n occured i n deeper regions of the JASIN a r e a . The slope of the v e r t i c a l wavenumber s p e c t r a corresponded to those observed i n various regions of the deep ocean. Therefore the f i n e s t r u c t u r e at d i f f e r e n t depths appears to be caused by s i m i l a r p h y s i c a l processes. But the l e v e l of the s p e c t r a was about a f a c t o r of 10 h i g h e r compared to the deep ocean.

1. E i n l e i t u n g und Z i e l s e t z u n g

Im Rahmen des ' J o i n t A i r - S e a I n t e r a c t i o n P r o j e c t ' ( J A S I N ) , d a s 1978 i m R o c k a l l - G e b i e t n o r d w e s t l i c h v o n S c h o t t l a n d s t a t t f a n d , w u r d e n d i e W e c h s e l - w i r k u n g e n z w i s c h e n O z e a n und Atmosphäre u n t e r s u c h t . E i n u m f a n g r e i c h e r i n t e r - n a t i o n a l e r D a t e n s a t z ermöglichte d i e E r f a s s u n g d e r h y d r o g r a p h i s c h e n und m e t e o r o l o g i s c h e n Verhältnisse a u f u n t e r s c h i e d l i c h e n S k a l e n . Für d i e B e - t r a c h t u n g k l e i n s k a l i g e r P r o z e s s e f a n d e n z w e i M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t e s t a t t , w o b e i mehrere S c h i f f e a u f e n g s t e m Raum und i n k u r z e n z e i t l i c h e n Abständen CTD-Messungen durchführten. D a b e i k o n n t e n z a h l r e i c h e F e i n s t r u k t u r e n i n n e r - h a l b d e r j a h r e s z e i t l i c h e n S p r u n g s c h i c h t b e o b a c h t e t w e r d e n . F e i n s t r u k t u r e n können d u r c h u n t e r s c h i e d l i c h e P r o z e s s e e n t s t e h e n . Neben Einschüben f r e m d e r Wasserkörper e n t l a n g v o n I s o p y k n e n , d e r l a t e r a l e n V e r m i s c h u n g i n Frontnähe und K o n v e k t i o n s - i n s b e s o n d e r e D o p p e l d i f f u s i o n s p r o z e s s e n i s t d a s i n t e r n e W e l l e n f e l d e i n w i c h t i g e r E r z e u g e r . E s k a n n s o w o h l r e v e r s i b l e a l s auch

i r r e v e r s i b l e F e i n s t r u k t u r e n h e r v o r r u f e n . D e r u m f a n g r e i c h e D a t e n s a t z e r - möglicht e i n e nähere U n t e r s u c h u n g d e r F e i n s t r u k t u r e n i n d e r j a h r e s z e i t - l i c h e n S p r u n g s c h i c h t i m J A S I N - G e b i e t .

E i n Z i e l d i e s e r A r b e i t i s t , e i n e B e s c h r e i b u n g d i e s e r F e i n s t r u k t u r e n z u g e b e n und f e s t z u s t e l l e n , d u r c h w e l c h e P r o z e s s e s i e e r z e u g t w e r d e n . D e r dafür v e r w e n d e t e D a t e n s a t z b a s i e r t hauptsächlich a u f den CTD-Messungen d e r d e u t s c h e n F o r s c h u n g s s c h i f f e ' M e t e o r ' und ' P l a n e t ' , d i e während d e r b e i d e n M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t e gewonnen w u r d e n . Nach e i n e m k u r z e n Überblick über d a s Meßprogramm und d a s Meßgebiet des J A S I N - E x p e r i m e n t s und e i n e r D a r s t e l l u n g d e r v e r w e n d e t e n Meßgeräte und i h r e r G e n a u i g k e i t e n i n K a p i t e l 2 w e r d e n zunächst i n K a p i t e l 3 d i e h y d r o g r a p h i s c h e ^ Verhältnisse während d e r M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t e b e s c h r i e b e n . D i e s e b i e t e i e i n e n E i n b l i c k , i n w e l c h e

räumlichen S t r u k t u r e n und F r o n t e n s y s t e m e d i e k l e i n s k a l i g e n F e i n s t r u k t u r e n e i n g e b e t t e t s i n d . D a b e i können m i t H i l f e d e r Datensätze v o n V e r a n k e r u n g e n und B o j e n d i e Strömungsverhältnisse e r m i t t e l t w e r d e n . Anschließend e r f o l g t i n K a p i t e l 4 e i n e B e s c h r e i b u n g d e r b e o b a c h t e t e n F e i n s t r u k t u r e n , w o b e i d i e z a h l r e i c h e n CTD-Messungen e i n e s t a t i s t i s c h e E r f a s s u n g d e r L a g e , d e r A u s d e h - n u n g e n und d e r Intensitäten d e r F e i n s t r u k t u r e n ermöglichen. W e i t e r h i n s o l l e n d i e d o m i n i e r e n d e n P r o z e s s e e r m i t t e l t w e r d e n , d i e j e n e F e i n s t r u k t u r e n h e r - v o r r i e f e n . Dazu w e r d e n i n K a p i t e l 5 v e r s c h i e d e n e E r z e u g u n g s m e c h a n i s m e n b e t r a c h t e t . An Hand i h r e r Einflüsse a u f d i e S c h i c h t u n g i s t e s möglich, e i n i g e u n t e r s c h i e d l i c h e P r o z e s s e z u t r e n n e n . D a b e i w e r d e n s o w o h l D o p p e l d i f - f u s i o n s p r o z e s s e a l s auch Einschübe f r e m d e r Wasserkörper berücksichtigt, da

s i b l e n Prozesse dominieren. Dazu werden d i e Datensätze mit den E r g e b n i s s e n u n t e r s c h i e d l i c h e r Modelle v e r g l i c h e n . E i n w e i t e r e s Z i e l d i e s e r A r b e i t i s t , mit H i l f e d e r beobachteten Vermischungsprozesse den v e r t i k a l e n t u r b u l e n t e n A u s t a u s c h k o e f f i z i e n t e n abzuschätzen. E i n e w e i t e r e Möglichkeit, d i e domi- nierenden Prozesse i n n e r h a l b der j a h r e s z e i t l i c h e n Sprungschicht zu b e s t i m - men, b i e t e t d i e S p e k t r a l a n a l y s e der F e i n s t r u k t u r , d i e i n K a p i t e l 6

behandelt w i r d . Dabei werden d i e v e r t i k a l e n W e l l e n z a h l s p e k t r e n , d i e Kohärenz- und Phasenspektren und d i e Schichtungsparameter b e t r a c h t e t .

Außerdem b i e t e t d i e s e r Datensatz d i e s e l t e n e G e l e g e n h e i t , d i e F e i n s t r u k t u r e n i n der Haupt- und j a h r e s z e i t l i c h e n S p r u n g s c h i c h t zu v e r g l e i c h e n , da d i e b i s h e r i g e n Messungen hauptsächlich i n größeren T i e f e n s t a t t f a n d e n . Dabei s o l l u n t e r s u c h t werden, ob u n t e r s c h i e d l i c h e p h y s i k a l i s c h e Prozesse zugrunde l i e g e n und inwieweit s i c h d i e Spektren i n den verschiedenen T i e f e n b e r e i c h e n un te rs che ide n.

2. Datensatz

2.1. Meßprogramm und Meßgebiet

Das ' J o i n t A i r - S e a I n t e r a c t i o n P r o j e c t ' (JASIN) fand von M i t t e J u l i b i s M i t t e September 1978 im nordöstlichen A t l a n t i k s t a t t . Zur Untersuchung d e r Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre i n m i t t l e r e n B r e i t e n wurden i n den Meßphasen 0,1 und 2 z a h l r e i c h e S c h i f f e , Verankerungen und Flugzeuge e i n g e s e t z t . D i e l e t z t e Meßphase von M i t t e August b i s September war z u g l e i c h d i e i n t e n s i v s t e . Die v o r r a n g i g e n Z i e l e von JASIN waren sowohl d i e E r f a s s u n g und Analyse v e r s c h i e d e n e r p h y s i k a l i s c h e r P r o z e s s e , d i e zu Vermischungen führen, und i h r e Beziehung zu den m i t t l e r e n Verhältnissen a l s auch d i e Bestimmung d e r Impuls- und Wärmebilanzen für d i e Atmosphäre und den oberen Ozean sowie d e r Flüsse durch d i e s e G r e n z s c h i c h t ( R o y a l S o c i e t y , 1977). Zur E r f a s s u n g d e r u n t e r s c h i e d l i c h e n S k a l e n wurden v e r s c h i e d e n e Meßgebiete aus- gewählt, d i e i n Abb. 2.1.1. d a r g e s t e l l t s i n d . Der i n d i e s e r A r b e i t

b e t r a c h t e t e D a t e n s a t z stammte aus d e r 'Oceanographic I n t e n s i v e A r e a ' (OIA), d i e das 'Fixed I n t e n s i v e A r r a y ' ( F I A ) , i n dem z a h l r e i c h e Verankerungen auf

o

e i n e r Fläche von 6 km v e r t e i l t waren, einschloß.

Das Meßgebiet des nördlichen R o c k a l l - T r o g s l i e g t e i n g e b e t t e t i n e i n System von Bänken. Seine W a s s e r t t e f e schwankt zwischen 1000 und 2000 m. Die win-

t e r l i c h e K o n v e k t i o n r e i c h t maximal b i s zu e i n e r T i e f e von 500 m, i n d e r d i e v e r t i k a l e n G r a d i e n t e n r e l a t i v g e r i n g s i n d . Ab M i t t e A p r i l b i l d e t s i c h e i n e D e c k s c h i c h t m i t d e r j a h r e s z e i t l i c h e n S p r u n g s c h i c h t aus ( E l l e t t und M a r t i n ,

1973). Die Wassermassen d e r oberen 500 m können e i n e n sehr u n t e r s c h i e d - l i c h e n Ursprung haben. Man t r i f f t sowohl s a l z r e i c h e s Wasser aus dem Süden a l s auch n o r d a t l a n t i s c h e s Z e n t r a l w a s s e r (NACW) und m o d i f i z i e r t e s Nord- a t l a n t i k w a s s e r (MNAW) an ( E l l e t t und M a r t i n , 1973; Hansen und Meincke,

1979; Meincke, 1978).

Das Meßgebiet d e r OIA wurde gewählt, da i n d i e s e r Region, wie vorange- gangene Untersuchungen z e i g t e n , d i e h o r i z o n t a l e n Veränderungen am g e r i n g s t e n waren. Es z e i g t e s i c h a l l e r d i n g s , daß s i c h während des JASIN- Experiments mesoskalige W i r b e l und F r o n t e n durch d i e s e s G e b i e t bewegten. Im Norden der 'Hydrographie Survey A r e a1 (HSA) wurde k a l t e s , salzarmes MNAW"

gefunden, das meist südlich der P o l a r f r o n t i n der Nähe der Färöer-Inseln beobachtet w i r d . Im Süden des Meßgebietes wurden wärmere, s a l z r e i c h e r e

Wassermassen r e g i s t r i e r t , d i e durch Vermischung von NACW m i t den s a l z r e i c h e n Wasserkörpern aus dem Süden entstanden waren. Die Front zwischen den beiden Wassermassen wies große und k l e i n e r e Mäander auf ( E l l e t t et a l . , 1983; van Aken, 1981).

Für eine ausführlichere D a r s t e l l u n g der Z i e l e und Durchführung des JASIN- Experiments sowie eine Zusammenfassung der b i s h e r i g e n E r g e b n i s s e wird auf d i e entsprechenden B e r i c h t e verwiesen (Royal S o c i e t y , 1977, 1978, 1979,

1983). Die Einsätze der deutschen F o r s c h u n g s s c h i f f e 'Meteor', 'Planet* und 'Poseidon' wurden von S i e d l e r und Zenk (1980) zusammengestellt.

la) fb)

Abb. 2.1.1.

(a) Die Lage des JASIN-Meßgebietes

( b ) Die fünf v e r s c h i e d e n s k a l i g e n Meßgebieter 'Large-Scale Area' (Seitenlänge 300 km)

" M e t e o r o l o g i c a l T r i a n g l e ' (180*180*220 km) 'Hydrographie Survey Area' (Seitenlänge 150 km) 'Océanographie I n t e n s i v e Area* (Durchmesser 100 km) 'Fixed I n t e n s i v e Area' (6 km*")

(nach P o l l a r d et a l . , 1983)

2.2 Meßgeräte und Meßgenauigkeit

Da d i e verwendeten Meßgeräte und Datensätze einschließlich i h r e r A u f - b e r e i t u n g schon i n v o r h e r i g e n A r b e i t e n b e s c h r i e b e n wurden, wird i n diesem A b s c h n i t t nur e i n e kurze Zusammenfassung d e r verwendeten Daten gegeben und im übrigen auf d i e entsprechenden A r b e i t e n v e r w i e s e n .

Zur Untersuchung d e r Schichtungsverhältnisse wurden d i e während d e r l e t z t e n Meßphase gewonnenen Datensätze der F o r s c h u n g s s c h i f f e 'Meteor' und ' P l a n e t ' verwendet. Dabei wurden d i e Temperatur- und Leitfähigkeitsprofile j e w e i l s mit H i l f e e i n e r Multisonde ( K r o e b e l , 1973) a u f g e z e i c h n e t . Die K a l i b r i e r u n g d e r Sensoren, d i e an Hand von Schöpferdaten durchgeführt wurde, erwies s i c h a l s unabhängig von Z e i t und T i e f e . D i e K o r r e k t u r des D r u c k s e n s o r s , dessen Meßbereich meistens b i s 600 dbar r e i c h t e , entsprach dem an Deck gemessenen Wert. Anschließend wurde über 1 dbar übergreifend g e m i t t e l t und auf 0.5 dbar Abstände i n t e r p o l i e r t . D i e Meßgenauigkeiten betrugen b e i der Tem- p e r a t u r 0.01 °C, beim S a l z g e h a l t 0.01 10"³, b e i der D i c h t e 0.01 kg m~³ und beim Druck 0.1 d b a r . Eine genaue Beschreibung der Daten, i h r e r A u f b e r e i t u n g und Meßgenauigkeiten f i n d e t man b e i K n o l l (1983). E i n Gerätevergleich d e r

beiden S c h i f f e , d e r am 28.8.78 s t a t t f a n d , ergab eine gute Übereinstimmung im Rahmen der Meßgenauigkeiten.

Die Strömungsverhältnisse während d e r M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t e wurden an Hand der Verankerungen K2 und H2 und der Sparboje P2 e r m i t t e l t . Die Verankerungen waren e b e n f a l l s mit m e t e o r o l o g i s c h e n Meßinstrumenten aus- gerüstet, so daß g l e i c h z e i t i g L u f t t e m p e r a t u r e n und Windgeschwindigkeiten gemessen wurden. Die Verankerung K2, d i e auf d e r P o s i t i o n 58°59' N,

12*31' W l a g , r e g i s t r i e r t e d i e Strömungen im F I A m i t H i l f e von fünf VACM- Geräten ( v e e t o r - a v e r a g i n g c u r r e n t meter) i n den oberen 110 m. E i n e Präsen- t a t i o n des D a t e n s a t z e s f i n d e t man b e i Käse et a l . (1983). Die Verankerung H2 l a g nördlich des FIA auf der P o s i t i o n 59°25' N, 12°30'W und z e i c h n e t e mit H i l f e von 7 VACM und 2 ACM-Geräten ( a c o u s t i c c u r r e n t meter) d i e Strömungen und Temperaturen i n den oberen 60 m a u f . H a l p e r n (1979) s t e l l t e den Daten- s a t z zusammen, m i t dessen H i l f e W e l l e r und H a l p e r n (1983) das Strömungsfeld des oberen Ozeans während JASIN v e r a n s c h a u l i c h t e n . D i e d r i f t e n d e Sparboje P2 nahm mit H i l f e von 5 VACM und 2 VAECM-Geraten ( e l e c t r o - m a g n e t i c v e c t o r -

a v e r a g i n g c u r r e n t meter) das Strömungs- und Temperaturfeld i n den oberen 50 m auf. Die Auswertung und Beschreibung des Datensatzes e r f o l g t e durch P o l l a r d (1983). W e i t e r h i n wurde am 21. und 24.8.78 von W.F.S. ' P l a n e t ' abwechselnd d e r A a n d e r a a - P r o f H e r und d i e Bathysonde (Hinkelmann, 1957) e i n g e s e t z t . S i e d i e n t e n zur Aufnahme der Strömungsprofile und der

S c h i c h t u n g , so daß d i e v e r t i k a l e n Scherungen, Väisälä-Frequenzen und Richardson-Zahlen berechnet werden konnten. Zur E l i m i n i e r u n g d e r i n t e r n e n Wellen wurden d i e Daten über eine Trägheitsperiode übergreifend g e m i t t e l t . Auf Grund d e r G e n a u i g k e i t e n und Einsätze der Meßinstrumente konnten d i e s e berechneten Parameter nur Größenordnungen w i d e r s p i e g e l n . Eine

ausführlichere D a r s t e l l u n g des Datensatzes f i n d e t man b e i K n o l l (1983).

3. Hydrographische Verhältnisse während der M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t e

Um k l e i n s k a l i g e Vorgänge im B e r e i c h der D e c k s c h i c h t und j a h r e s z e i t l i c h e n S p r u n g s c h i c h t b e s s e r aufzulösen, wurden während der zweiten Meßphase d r e i M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t e durchgeführt. Dabei fanden d i e Messungen g l e i c h - z e i t i g von mehreren S c h i f f e n auf engstem Räume s t a t t . Während d e r e r s t e n b e i d e n M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t e wurde a l l e fünf Minuten auf W.F.S. ' P l a n e t ' und F.S. 'Meteor' e i n C T D - P r o f i l b i s zu e i n e r T i e f e von 100 m aufgenommen.

Da im d r i t t e n M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t d i e Messungen nur a l l e halbe Stunde e r f o l g t e n und F.S. 'Meteor' zu diesem Z e i t p u n k t das Meßgebiet schon

v e r l a s s e n h a t t e , wurden für d i e F e i n s t r u k t u r a n a l y s e nur d i e Datensätze der e r s t e n beiden M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t e verwendet.

3.1. E r s t e s M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t

Das e r s t e M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t fand vom 29.8.78, 9:00 GMT b i s zum 30.8.78, 12:00 GMT etwa 14 km südöstlich des 'Fixed I n t e n s i v e A r r a y ' (FIA) s t a t t . Dabei h i e l t e n v i e r S c h i f f e i h r e r e l a t i v e n P o s i t i o n e n zur d r i f t e n d e n S p a r - boje P2 b e i , während d r e i w e i t e r e S c h i f f e , a u s g e s t a t t e t m i t Schleppgeräten, um d i e Boje und d i e S c h i f f e herumfuhren. D i e Abbildung 3.1.1. z e i g t d i e Lage der d r i f t e r i d e n und fahrenden S c h i f f e r e l a t i v z u r Sparboje P2. F.S. 'Meteor' befand s i c h zu d i e s e r Z e i t im FIA und führte e b e n f a l l s Jojo-CTD-Messungen du r c h .

Nach einem kräftigen Südwind, der vom 17.8.78 b i s zum 22.8.78 m i t Geschwin- d i g k e i t e n von b i s zu 15 m s * wehte, h e r r s c h t e während des Experiments e i n schwacher Südwind mit G e s c h w i n d i g k e i t e n von 4 m s *• v o r ( W e l l e r e t a l . , 1983). Der D a t e n s a t z der Verankerung K2, d i e s i c h im FIA befand, z e i g t e i n den oberen 100 m zu d i e s e r Z e i t eine m i t t l e r e Strömungsgeschwindigkeit v o n 10 cm s * i n südwestliche Richtung (Abb. 3.1.2.). Dabei schob s i c h

k a l t e s , salzarmes Oberflächenwasser m i t Temperaturen und S a l z g e h a l t e n v o n 12.5 °C und 35.13 10 von N o r d o s t e n heran. Währenddessen l a g e n i m Süd- westen noch wärmere, s a l z r e i c h e r e Wassermassen m i t W e r t e n v o n 13 °C und 35.25 10 . D i e D i c h t e des nördlichen Wasserkörpers w a r geringfügig

n i e d r i g e r a l s im Süden, wo s i e 26.6 kg m~^J b e t r u g . Die F r o n t , d i e von WNW nach OSO v e r l i e f und nur von den fahrenden S c h i f f e n aus beobachtet werden k o n n t e^t war c i r c a 10 km b r e i t und b e i n h a l t e t e e i n e n J e t s t r o m i n südöstliche R i c h t u n g . Die Strömungsmessungen der Sparboje P2, d i e mit c i r c a 4 c i s * während des Experiments nach OSO d r i f t e t e , z e i g t e n i n den oberen 50 m e i n e n m i t t l e r e n Strom von 7 cm s~* nach Südosten (Abb. 3.1.3.). W e i t e r h i n konnte i n n e r h a l b der F r o n t b i s 15 m T i e f e e i n d r i t t e r Wasserkörper mit Tem- p e r a t u r e n und S a l z g e h a l t e n von 12.9 "C und 35.12 10 beobachtet werden.

Seine D i c h t e betrug etwa 26.5 kg ra , somit war e r l e i c h t e r a l s s e i n e Umgebung. E r wurde v e r m u t l i c h durch den J e t s t r o m aus einem G e b i e t advek- t i e r t , i n dem durch Niederschläge und schwache Durchmischung e i n e

zusätzliche, thermohaline S p r u n g s c h i c h t i n e i n e r T i e f e von etwa 15 m a u f - gebaut wurde (Schuhmacher, 1983). Diese zwei D e c k s c h i c h t e n s i n d d e u t l i c h i n den Datensätzen von W.F.S. ' P l a n e t ' z u erkennen (Abb. 3.1.4.), d i e s i c h während des gesamten Experiments i n dem d r i t t e n Wasserkörper befand. Auch d i e Messungen von F.S. 'Meteor', d i e s i c h etwa 14 km n o r d w e s t l i c h befand, z e i g t e n zwei S p r u n g s c h i c h t e n , wobei d i e P r o f i l e a l l e r d i n g s e r s t I n etwa 10 m begannen (Abb. 3.1.5.).

TYDEMAN

PLANET - SHACKLETON •

! POSEIDON

ENDEAVOR ATLANTIS H

C am I 1 'i ' ,M 'i 0 km t 2

DISCOVERY

Abb. 3.1.1.

D i e Lage d e r d r i f t e n d e n und fahrenden S c h i f f e r e l a t i v z u r Sparboje P2 während des e r s t e n M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t s (nach S i e d l e r und Zenk, 1980)

Abb. 3.1.2.

Verankerung K2

P r o g r e s s i v e Vektordiagramme d e r Strömungen i n 20, 60 und 110 m T i e f e i n dem Zeitraum vom 28.8.78, 12:00 GMT b i s zum 31.8.78, 12:00 GMT. Die Q u e r s t r i c h e bezeichnen a l l e 12 Stunden, d i e D r e i e c k e bezeichnen d i e Endpunkte.

P 2

i ¡5 KH , ¡23 Cfl/S

Abb. 3.1.3.

Sparboje P2

P r o g r e s s i v e Vektordiagramme d e r Strömungen i n 16 und 42 m T i e f e i n dem Zeitraum vom 28.8.78, 0:00 GMT b i s zum 31.8.78, 12:00 GMT. Die Q u e r s t r i c h e bezeichnen a l l e 12 Stunden, d i e D r e i e c k e bezeichnen d i e Endpunkte.

o h

50

100 0

T ( ° C )

L 12.0

h l o . o '

50

100 0

35.12

35.20

50

100

rft ( k g r r f3 )

26.6

. . j y t b i & A

a I Ä M M Ü I R *

27.0

i 29

AUG 1918 8 H (GfIT)

29.

20

30, S

Abb. 3.1.4.

I s o l i n i e n d e r Temperatur, des S a l z g e h a l t s und d e r D i c h t e während des e r s t e n M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t s aufgenommen von W.F.S. ' P l a n e t ' .

M i i i i i i i i i 1 i i i i i i n i i i 1 i i i

29.AUG 1978 23. 30.

8 H fßMT) 20 8

Abb. 3.1.5.

I s o l i n i e n d e r Temperatur, des S a l z g e h a l t s und d e r D i c h t e während des e r s t e n M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t s aufgenommen von F.S. 'Meteor*.

3.2 Zweites M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t

Das zweite M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t fand vom 2.9.78, 10:40 GMT b i s zum 3.9.78, 6:00 GMT etwa 47 km nördlich des 'Fixed I n t e n s i v e A r r a y ' (FLA) s t a t t . V i e r S c h i f f e h i e l t e n dabei e i n e f e s t e P o s i t i o n bezüglich der Verankerung H2, d i e s i c h auf 59°25' N und 12*30' W befand. F.S. 'Poseidon' w e c h s e l t e a l l e r - dings zweimal i h r e P o s i t i o n und e r s e t z t e am 3.9.78 F.S. 'Meteor', d i e das Meßgebiet verließ. D r e i w e i t e r e S c h i f f e , ausgerüstet mit Schleppgeräten, umfuhren d i e Verankerung H2 und d i e f e s t e n S c h i f f e i n einem Quadrat mit e i n e r Kantenlänge von etwa 5 km. E i n e ümrundung beanspruchte c i r c a zwei Stunden. D i e Abbildung 3.2.1. z e i g t d i e P o s i t i o n e n der Verankerung H2 und d e r teilnehmenden S c h i f f e .

Während des Experiments h e r r s c h t e n schwache Winde mit e i n e r G e s c h w i n d i g k e i t von 3 m s~* aus südöstlichen Richtungen. E i n e Zusammenfassung d e r

Deckschichttemperaturen, d i e von Guymer an Hand von S c h i f f s - , Verankerungs- und Flugzeugmessungen durchgeführt wurde, z e i g t e d i e großräumige V e r t e i l u n g von Wirbeln im JASIN-Gebiet ( P o l l a r d , 1982). Die Verankerung H2 l a g d a b e i südlich des Zentrums e i n e s a n t i z y k l o n a l e n W i r b e l s , so daß d i e großräumigen S t r u k t u r e n d e r F r o n t i n diesem Gebiet von Norden nach Süden v e r l i e f e n . S i e t r e n n t e dabei k a l t e , salzarme Wassermassen im Osten von wärmeren und s a l z r e i c h e r e n im Westen.

Die Abbildung 3.2.2. s t e l l t d i e Strömungsmessungen der Verankerung H2 i n 15,36 und 60 m T i e f e i n Form e i n e s p r o g r e s s i v e n Vektordiagramms d a r . Der Zeitraum beträgt c i r c a d r e i Tage und schließt das zweite M u l t i s c h i f f - Experiment e i n . Dem m i t t l e r e n Strom i n der D e c k s c h i c h t , d e r i n 15 m T i e f e m i t 21 cm s~~^ nach Süden v e r l i e f , war e i n e Schwingung m i t d e r G e z e i t e n -

(12.4 h) o d e r Trägheitsperiode (13.8 h) i n Ost/West-Richtung überlagert.

D i e Amplitude d i e s e r Schwingung bewirkte e i n e zonale V e r s c h i e b u n g der Wasserkörper um c i r c a 3 km. Während d i e s e Amplitude im B e r e i c h d e r

D e c k s c h i c h t nahezu k o n s t a n t b l i e b , nahm d e r m i t t l e r e Strom nach Süden m i t d e r T i e f e l e i c h t ab. U n t e r h a l b d e r D e c k s c h i c h t wies d i e Ost/West-Schwingung n u r sehr geringe Amplituden a u f . Dies z e i g t e n d i e Messungen i n 60 m T i e f e , i n d e r e i n m i t t l e r e r Strom mit 19 cm s-* r e g i s t r i e r t wurde. Somit wurde d i e

Front In der Deckschicht am 2.9.78 b i s 15:00 GMT nach Westen und

anschließend b i s c i r c a 21:30 GMT nach Osten t r a n s p o r t i e r t . Zu Beginn des Experiments p a s s i e r t e s i e F.S. 'Meteor1, d i e somit von etwa 13:30 GMT b i s 16:30 GMT auf der O s t s e i t e der Front l a g und Temperaturen und S a l z g e h a l t e i n der Deckschicht von 12.20 °C und 35.08 K T3 r e g i s t r i e r t e . W.F.S. ' P l a - n e t ' befand s i c h während des gesamten Experiments w e s t l i c h der F r o n t . Dort wurden Temperaturen- und S a l z g e h a l t s w e r t e In der Deckschicht von 12.50 °C und 35.15 1 0- 3 gemessen. Auf Ihrem Weg nach Osten kam d i e Front erneut an F.S. 'Meteor' v o r b e i , so daß s i e gegen 21:00 GMT In dem g l e i c h e n

Wasserkörper wie W.F.S. 'Planet' l a g . Die Front hatte auf das D i c h t e f e l d keinen wesentlichen Einfluß, da d i e h o r i z o n t a l e n Temperaturgradienten nahezu durch den S a l z g e h a l t kompensiert wurden. Die D i c h t e s t r u k t u r wurde hauptsächlich durch das i n t e r n e W e l l e n f e l d beeinflußt. Der Datensatz von W.F.S. 'Planet' (Abb.3.2.4.) z e i g t e eine Konvergenz der Isopyknen i n östliche Richtung. Die Region, i n der der v e r t i k a l e Abstand der Isopyknen am größten war und somit g e r i n g e r e , s t a t i s c h e Stabilität aufwies, lag 1 b i s

3 km w e s t l i c h der thermohalinen F r o n t . D i e Front, die manchmal weniger a l s 0.5 km b r e i t war, war zur Oberfläche h i n nach Westen geneigt.

Sowohl b e i W.F.S. 'Planet' (Abb. 3.2.4.) a l s auch b e i F.S. 'Meteor' (Abb.

3.2.5.) wurde um 13:15 GMT bzw. 13:40 GMT e i n A b f a l l der I s o l i n i e n beobachtet, der durch das i n t e r n e W e l l e n f e l d erzeugt wurde. Zur E l i m i - nierung des I n t e r n e - W e l l e n - E i n f l u s s e s wurden d i e I s o l i n i e n bezüglich der Dichte aufgetragen. Da d i e Front W.F.S. 'Planet' n i c h t e r r e i c h t e , waren d i e Temperatur- und S a l z g e h a l t s f l u k t u a t l o n e n entlang der Isopyknen sehr g e r i n g (Abb.3.2.6.). B e i F.S. 'Meteor' konnte außer der Front, die von 17:00 GMT b i s 20:00 GMT beobachtet wurde, noch e i n k a l t e r , salzarmer Wasserkörper im B e r e i c h von ot=26.65-26.90 kg m- 3 f e s t g e s t e l l t werden (Abb.3.2.7.). D i e s e r befand s i c h am östlichen Rand der Front und d r i f t e t e zweimal b e i F.S.

'Meteor' v o r b e i , nämlich gegen 13:05 GMT und 16:50 GMT. Unter Berücksichti- gung der m i t t l e r e n , südwärts g e r i c h t e t e n Strömung e r s t r e c k t e e r s i c h über mehr a l s zwei K i l o m e t e r entlang der F r o n t . Prozesse, b e i denen Wasserkörper d i e Front überqueren und zungenförmig i n d i e andere Wassermasse e i n d r i n g e n , konnten außerdem n i c h t beobachtet werden.

W e i t e r h i n wurde u n t e r h a l b der j a h r e s z e i t l i c h e n Sprungschicht gegen 18:00 b i s 19:30 GMT e i n e l e i c h t e Temperatur- und Salzgehaltsabnahme e n t l a n g d e r Isopyknen von F.S. 'Meteor' r e g i s t r i e r t . In diesem Zeitraum zog gerade d i e Front i n der D e c k s c h i c h t von Ost nach West v o r b e i . Diese Abnahme war eben- f a l l s auf W.F.S. 'Planet* gegen 15:00 b i s 17:00 GMT zu beobachten.

Die D a r s t e l l u n g d e r D e c k s c h i c h t t i e f e während des Experiments (Abb. 3.2.3.) z e i g t e , daß d i e s e hauptsächlich durch das i n t e r n e W e l l e n f e l d und n i c h t durch d i e D e c k s c h i c h t f r o n t beeinflußt wurde. B e i W.F.S. 'Planet* war eine G e z e i t e n - bzw. Trägheitsperiode zu erkennen.

E i n e ausführlichere Beschreibung des zweiten M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t s und der thermohalinen F r o n t i n der Deckschicht f i n d e t man b e i Minnett e t a l . (1983).

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POSEIDON

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H2 i SHACKLETON

M-22*

ATLANTIS II DISCOVERY ENDEAVOR

_ j j MOBIL I I

Abb. 3.2.1.

Die P o s i t i o n e n der Verankerung H2 und d e r f e s t e n und fahrenden S c h i f f e während des zweiten M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t s (nach S i e d l e r und Zenk, 1980).

Abb. 3.2.2.

Verankerung H2

P r o g r e s s i v e Vektordiagramme d e r Strömungen i n 15, 36 und 60 m T i e f e i n dem Zeitraum vom 1.9.78, 0:00 GMT b i s zum 3.9.78, 15:00 GMT.

D i e Q u e r s t r i c h e bezeichnen a l l e 6 Stunden, d i e Dreiecke bezeichnen d i e Endpunkte.

5 Kfl

23 C"1/S

ja -3

Q

60

Planet:

35

10

, Meteor: - - -

2.9.1978 10:00 GMT

2.9.1978 22:00 GMT

Abb. 3.2.3.

D e c k s c h i c h t t i e f e MLD während des zweiten M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t .

cc

<

CO O

<

CD Q

CC -<

m Q

50

100 h—

50

100

0

50

100

T ( C )

12.0 S^^^^^^

s ( i o "

) 35.16 ^

35.20 ,'i

"•4«

( kg m "³ )

L 27.3 *V

2.SEP 1918

10 H (GHT) 2a 22

Abb. 3.2.4.

I s o l i n i e i i d e r Temperatur, des S a l z g e h a l t s und d e r D i c h t e während des z w e i t e n M u l t i s c h l f f - E x p e r i m e n t s aufgenommen von W.F.S. ' P l a n e t ' .

50

100

T ( C )

50

100

S ( i o '

)

~ 3 5 . 1 2 i V M ' U > Lj

~ 3 5 . 2 0 , ¥ M^^K^

r - 2 7 . 0

50

100

Crf*^t ( k g n f ³ )

V i «vi

27.3 ..

2-SEP 1378 10 H (GMT)

2 - 2 2 Abb. 3.2.5.

I s o l i n i e n d e r Temperatur, des S a l z g e h a l t s und der D i c h t e während des z w e i t e n M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t s aufgenommen von F.S. 'Meteor'.

26.55

T ( C )

1

12,00'

$ 26.95

27.35

« . ^ i . i i.fW in IT« i

I I I 1 I I I I I I 1 I I I I I I I I

10 H

' 1918 (GflT)

2,

22

1

1 I

2»SEP 1 9 1 8

2 ,

10 H (GflT) 22

Abb. 3.2.6.

I s o l i n i e n d e r Temperatur und des S a l z g e h a l t s bezüglich d e r D i c h t e während des zweiten M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t s aufgenommen von W.F.S. ' P l a n e t * .

10 H (GflT) 22

S ( i o "

) 26.55

35.12

•

3 26.95

27.35

2,SEP 1918 10 H (GflT)'

2*

22

Abb. 3.2.7.

I s o l i n i e n d e r Temperatur und des S a l z g e h a l t s bezüglich der D i c h t e während des zweiten M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t s aufgenommen von F.S. 'Meteor'.

4. Feinstrukturbeobachtungen i n n e r h a l b der j a h r e s z e i t l i c h e n Sprungschicht

Seitdem d i e Meßgeräteentwicklung d i e Aufnahme von k o n t i n u i e r l i c h e n P r o f i l e n ermöglichte, wurden i n den v e r s c h i e d e n s t e n Regionen der Ozeane F e i n s t r u k - t u r e n r e g i s t r i e r t . Unter F e i n s t r u k t u r e n v e r s t e h t man d i e Beobachtung k l e i n s k a l i g e r Veränderungen d e r v e r t i k a l e n G r a d i e n t e n . D i e v e r t i k a l e n Ska- l e n l i e g e n dabei zwischen 1 und 100 m, so daß d i e molekulare D i f f u s i o n b e i der Entstehung nur e i n e sekundäre R o l l e s p i e l t . B e i k l e i n e r e n S k a l e n

s p r i c h t man von M i k r o s t r u k t u r e n , d i e nur von s p e z i e l l e n , hochauflösenden Meßgeräten erfaßt werden können.

In den während JASIN gewonnenen P r o f i l e n konnten z a h l r e i c h e F e i n s t r u k t u r e n i n n e r h a l b d e r j a h r e s z e i t l i c h e n Sprungschicht beobachtet werden. Dies v e r - d e u t l i c h t d i e Abbildung 4.0.1., i n der T e m p e r a t u r p r o f i l e , d i e i n Abständen von fünf Minuten gemessen wurden, d a r g e s t e l l t s i n d .

Um später e i n e Aussage über d i e Ursachen der F e i n s t r u k t u r e n i n d e r

j a h r e s z e i t l i c h e n S p r u n g s c h i c h t im JASIN Gebiet zu e r h a l t e n , wurde zunächst einmal u n t e r s u c h t , wie d i e Temperaturstruktur aussah und welche s t a -

t i s t i s c h e n E i g e n s c h a f t e n d i e s e durchmischten S c h i c h t e n besaßen.

Abb. 4.0.1.

J o j o - T e m p e r a t u r p r o f l l e vom 2.9.78,13:25 GMT b i s 14:10 GMT, a l l e 5 Minuten aufgenommen von F.S. 'Meteor' und v e r s e t z t um 1 *C.

Temperaturgradient

Zur Erfassung der durchmischten Schichten innerhalb der j a h r e s z e i t l i c h e n Sprungschicht wurde zunächst der v e r t i k a l e Temperaturgradient (Tp=AT/S) i n den oberen 100 m mit H i l f e der D i f f e r e n z e n b i l d u n g berechnet. Dabei b e z e i c h - net 6 eine D r u c k d i f f e r e n z , wobei i n diesen T i e f e n r e g i o n e n 1 dbar c i r c a einem Meter e n t s p r i c h t . Da mit zunehmendem Druck d i e Temperatur meist

abnahm, ergaben s i c h für d i e Gradienten negative Werte. Es z e i g t e s i c h , daß mit zunehmendem 6 d i e Varianz des Gradienten abnahm. Die f e i n e r e n Struk-

t u r e n , deren v e r t i k a l e Skalen k l e i n e r a l s 6 waren, wurden natürlich n i c h t r i c h t i g erfaßt sondern v e r s c h m i e r t . G l e i c h z e i t i g wurde für steigende 6 der a b s o l u t e M i t t e l w e r t des Gradienten etwas größer. Der M i t t e l w e r t ergab s i c h aus

- I (TN-ni+i-Ti)

T p = ^ J (4.1.1.),

n^ (N-n^) A

wobei A der Abstand zwischen zwei aufeinander folgende Werten, N d i e Gesamt- werteanzahl und niA=ö der Abstand für d i e Gradientenbildung waren. Für n^=l berechnete s i c h der M i t t e l w e r t aus dem e r s t e n und l e t z t e n Temperaturwert.

Für n i > l wurde der M i t t e l w e r t aus nj_ Gradienten g e b i l d e t , d i e mit H i l f e der e r s t e n und l e t z t e n n\ Temperaturwerte über den Abstand (N-n^)A berechnet wurden. Somit ergaben s i c h für steigende nj meist größere, a b s o l u t e M i t - t e l w e r t e des Gradienten i n den oberen 100 m. Die Wahl von 6 beeinflußte e b e n f a l l s d i e S c h i e f e und K u r t o s i s , d i e b e i der Häufigkeitsverteilung des v e r t i k a l e n Temperaturgradienten beobachtet wurden. Für steigende 6 wurde d i e K u r t o s i s k l e i n e r , während d i e S c h i e f e gegen N u l l s t r e b t e . Insgesamt näherte s i c h d i e Häufigkeitsverteilung des Gradienten für größere 6 e i n e r N o n n a l v e r t e i l u n g . Die T a b e l l e und Abbildung 4.1.1. demonstrieren d i e Veränderungen des v e r t i k a l e n Temperaturgradienten der oberen 100 m i n Abhängigkeit von 6.

1 i 1 i

1

•1) j V a r ( y

1

1

1

1

1

1

1

1

*

1

1

1

1

1

1

Tab. 4.1.1.

CTD-Messungen von W.F.S. ' P l a n e t ' am 2.9.78,20:00 GMT,

Veränderungen des M i t t e l w e r t s , der V a r i a n z , der S c h i e f e und der K u r t o s i s des v e r t i k a l e n Temperaturgradienten bzw. s e i n e r V e r t e i l u n g i n den oberen 100 m i n Abhängigkeit von 6.

Abb. 4.1.1.

CTD-Messungen von W.F.S. ' P l a n e t ' am 2.9.78,20:00 GMT ( a ) P r o f i l e der Temperatur T und d e r Väisälä-Frequenz N.

(b) V e r t i k a l e r Temperaturgradient für 5=0.5 und 4.5 dbar

D e f i n i t i o n der durchmischten Schichten

Zunächst wurde d i e Lage der j a h r e s z e i t l i c h e n Sprungschicht bestimmt. Die Grenzwerte des v e r t i k a l e n Gradienten, mit denen die Sprungschicht und

d i e durchmischten S c h i c h t e n bestimmt wurden, wurden so gewählt, daß s i e dem o p t i s c h e n Eindruck der e i n z e l n e n P r o f i l e entsprachen und g l e i c h z e i t i g e i n f e s t e s K r i t e r i u m für a l l e P r o f i l e d a r s t e l l t e n . Die Obergrenze der

j a h r e s z e i t l i c h e n Sprungschicht wurde dort f e s t g e l e g t , wo der absolute v e r - t i k a l e Gradient über 1.5 dbar 4 mal h i n t e r e i n a n d e r 0.04 °C d b a r-*

überschritt. Um zu vermeiden, daß man, f a l l s zwei Deckschichten

vorhanden waren, d i e obere Sprungschicht erfaßte, mußte g l e i c h z e i t i g der a b s o l u t e Temperaturgradient über 15 dbar größer a l s 0.03 °C d b a r-* s e i n . Die Untergrenze der j a h r e s z e i t l i c h e n Sprungschicht wurde dort f e s t g e l e g t , wo der absolute v e r t i k a l e Gradient über 15 dbar 50 mal h i n t e r e i n a n d e r k l e i n e r a l s 0.05 °C d b a r^-* war. In diesem B e r e i c h wurde der v e r t i k a l e Tem- p e r a t u r g r a d i e n t über 1.5 dbar berechnet, so daß auch k l e i n e r e S t r u k t u r e n erfaßt werden konnten. Zur E r f a s s u n g der quasihomogenen Schichten mußte der a b s o l u t e Temperaturgradient 0.05 °C d b a r^-* u n t e r s c h r e i t e n . Dies entsprach etwa der Hälfte des m i t t l e r e n Gradienten i n der j a h r e s z e i t l i c h e n

Sprungschicht. Entsprechende Grenzwerte wurden e b e n f a l l s für d i e D i c h t e p r o - f i l e gewählt. Da das D i c h t e f e l d hauptsächlich von der Temperatur beeinflußt wurde, ergaben s i c h dabei die g l e i c h e n T i e f e n b e r e i c h e für d i e Sprungschicht und die durchmischten S c h i c h t e n .

Lage

W e i t e r h i n wurde untersucht, i n welchen T i e f e n b e r e i c h e n der j a h r e s z e i t l i c h e n Sprungschicht diese durchmischten S c h i c h t e n hauptsächlich a u f t r a t e n . F a l l s s i e auf Scherungsinstabilitäten durch i n t e r n e Wellen zurückzuführen wären, würde man erwarten, daß s i e hauptsächlich im B e r e i c h der maximalen Välsälä- Frequenz und dementsprechend der maximalen Scherung a u f t r e t e n , a l s o im m i t t l e r e n B e r e i c h der Sprungschicht ( G a r r e t t und Münk, 1972b). Dazu wurde d i e Sprungschicht i n d r e i g l e i c h große, v e r t i k a l e Abschnitte e i n g e t e i l t . Es ergab s i c h , daß während der M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t e mindestens 50% d e r durchmischten S c h i c h t e n im m i t t l e r e n T e i l der Sprungschicht lagen. E i n e Analyse stündlich gemessener P r o f i l e während der zweiten Meßphase wies a l - l e r d i n g s auf keine bevorzugte Lage der quasihomogenen S c h i c h t e n i n n e r h a l b der Sprungschicht h i n .

6;

A •

2

A n z a h l

Die Anzahl der i n einem P r o f i l beobachteten, durchmischten S c h i c h t e n i n der Sprungschicht schwankte zwischen 0 und 5. In Abbildung 4.1.2. i s t d i e

A n z a h l i n Form e i n e r Z e i t r e i h e d a r g e s t e l l t , während T a b e l l e 4.1.2. Ihre M i t t e l w e r t e und Standardabweichungen w i d e r s p i e g e l n . D i e t e i w e i s e recht b e a c h t l i c h e n Schwankungen i l l u s t r i e r e n d i e s c h n e l l e n Veränderungen i n d e r F e i n s t r u k t u r , d i e sowohl auf dynamischen a l s auch kinematischen Vorgängen beruhen können. Während des zweiten M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t s konnten im V e r g l e i c h zum e r s t e n mehr durchmischte S c h i c h t e n i n n e r h a l b der e i n z e l n e n P r o f i l e beobachtet werden. Dabei t r a t e n s i e w e s t l i c h d e r Oberflächenfront

( s i e h e K a p i t e l 3.2.) häufiger auf a l s im O s t e n .

y ^ y ^ M f\ rt A-A aAA(AA^ A n ^ , q a , l\ rm^

12:00 . 18:00 0:00 6:00 GMT

29.8.78 30.8.78

( b )

2

-44

( c )

6 i

A Vi»,

12:00 18:0O

( d )

24:00 GMT 2.9.78

Abb. 4.1.2.

Z e i t r e i h e d e r Anzahl der i n einem P r o f i l beobachteten, durchmischten S c h i c h t e n A i n n e r h a l b der j a h r e s z e i t l i c h e n Sprungschicht

(a) 1. M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t , W.F.S. " P l a n e t ' (b) 1. M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t , F.S. 'Meteor' ( c ) 2. M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t , W.F.S. ' P l a n e t ' (d) 2. M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t , F.S. 'Meteor'

Beobachtunszeitraum und h o r i z o n t a l e Ausdehnung

An Hand der J o j o - P r o f i l e , d i e während der zwei M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t e a l l e fünf Minuten aufgenommen wurden, konnten e i n z e l n e , durchmischte S c h i c h t e n über e i n e längere Z e i t v e r f o l g t werden. Die Beobachtungszeiträume lagen zwischen 5 und 90 Minuten, wobei d i e d i c k e r e n , durchmischten S c h i c h t e n m e i s t über e i n e n längeren Zeitraum zu v e r f o l g e n waren. Der K o r r e l a -

t i o n s k o e f f i z i e n t zwischen Beobachtungszeitraum und D i c k e der S c h i c h t e n b e t r u g 0.7. Im Gegensatz zum e r s t e n M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t , i n dem d i e S c h i f f e d r i f t e t e n , wurde während des zweiten M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t s auf f e s t e n P o s i t i o n e n gemessen. Dort war d i e m i t t l e r e Strömung mit c i r c a

20 cm s~* nach Süden g e r i c h t e t ( s i e h e K a p i t e l 3.2.). U n t e r der V o r a u s s e t z u n g , daß d i e quasihomogenen S c h i c h t e n p a s s i v mit d i e s e r G e s c h w i n d i g k e i t nach

Süden d r i f t e t e n , wurde i h r e h o r i z o n t a l e Ausdehnung berechnet. Die Ergeb- n i s s e , d i e a l l e r d i n g s nur Größenordnungen w i d e r s p i e g e l n können, l a g e n zwischen 60 und 1100 m. Das Verhältnis zwischen den v e r t i k a l e n H und

—3 —?

h o r i z o n t a l e n Ausdehnungen L schwankte zwischen 7*10 und 2*10 , wobei

—2

d e r häufigste Wert b e i 1*10 l a g . Für den F a l l , daß d i e F e i n s t r u k t u r e n auf Einschüben fremder Wassermassen b a s i e r t e n ( s i e h e K a p i t e l 5.3.), konnten m e i s t d i c k e r e , durchmischte S c h i c h t e n beobachtet werden. Ihre h o r i z o n t a l e n Ausdehnungen waren e b e n f a l l s größer, so daß das Verhältnis H/L nahezu unberührt vom Entstehungsmechanismus d e r F e i n s t r u k t u r b l i e b .

V e r t i k a l e Ausdehnung

Die Abbildung 4.1.3. z e i g t d i e Häufigkeitsverteilung der D i c k e der d u r c h - mischten S c h i c h t e n während d e r beiden M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t e . Dabei konn- t e n k e i n e S c h i c h t e n erfaßt werden, d e r e n D i c k e n k l e i n e r a l s 1 m waren. Es ergab s i c h e i n e x p o n e n t i e l l e r A b f a l l d e r S c h i c h t d i c k e n für steigende Werte.

I n T a b e l l e 4.1.2. s i n d i h r e M i t t e l w e r t e und Standardabweichungen zusammengestellt.

1 1 ! !

1 Mültischif f-J S c h i f f 1 Gesamtan-

1

1 Experiment z a h l der

P r o f i l e

f abweichung I

1

1

[m] 1 abweichung |

1

1

1 °-

1

1

1 P l a n e t j 313 [ 0.4

1 °*

1

1

1

1

'° 1

1

1 P l a n e t j 229 \ 1.4

1

-

I

*

i 1 ! >

( P l a n e t |

1010 3.0 1 2-4 !

1

{

1 O s t s e i t e j 24

1

° *

1 j

{ 14:00- 1

1

j

1

1 W e s t s e i t e | 24 1 1.1

1

1 1

1 20:25- j

1

j 22:25 GMT |

1

Tab. 4.1.2. Temperaturstruktur i n der j a h r e s z e i t l i c h e n S p r u n g s c h i c h t während der beiden Mültischiff-Experimente.

A m i t t l e r e Anzahl der durchmischten S c h i c h t e n i n einem P r o f i l M i t t e l w e r t der beobachteten, v e r t i k a l e n Ausdehnungen der quasihomogenen S c h i c h t e n

60-

Abb. 4.1.3.

Häufigkeitsverteilung d e r Dicke der durchmischten S c h i c h t e n H^ i n n e r h a l b der j a h r e s z e i t l i c h e n S p r u n g s c h i c h t .

(a) 1. M u l t i s c h i f f - E x p e r i r a e n t , W.F.S. ' P l a n e t ' (b) 1. Mültischiff-Experiment, F.S. 'Meteor' ( c ) 2. Mültischiff-Experiment, W.F.S. ' P l a n e t ' (d) 2. M u l t i s c h i f f - E x p e r i m e n t , F.S. 'Meteor*

5. Ursachen der F e i n s t r u k t u r e n

Für d i e Entstehung von F e i n s t r u k t u r e n im Ozean g i b t es v e r s c h i e d e n e Ursachen. Neben Einschüben fremder Wasserkörper e n t l a n g Isopyknen, d e r l a t e r a l e n Vermischung i n Frontnähe (Woods e t a l . , 1977; Joyce, 1977) und K o n v e k t i o n s - und insbesondere DoppeldiffusionsVorgängen ( T u r n e r , 1981) i s t das i n t e r n e W e l l e n f e l d e i n w i c h t i g e r E r z e u g e r . Es kann sowohl r e v e r s i b l e a l s auch i r r e v e r s i b l e F e i n s t r u k t u r e n h e r v o r r u f e n . D i e l e t z t e r e n können e n t - weder durch v e r t i k a l e Vermischung i n f o l g e von Seherungsinstabilitäten an den Kämmen und Tälern der* i n t e r n e n W e l l e n ( G a r r e t t und Münk, 1972 b) o d e r durch Brechen von i n t e r n e n Trägheitswellen e n t s t e h e n ( O r l a n s k i und Bryan, 1969). Woods untersuchte i r r e v e r s i b l e F e i n s t r u k t u r e n i n der

j a h r e s z e i t l i c h e n S p r u n g s c h i c h t i n d e r Nähe von M a l t a . E r beobachtete sehr dünne S c h i c h t e n mit hoher Stabilität und laminaren Strömungen, d i e durch d i c k e r e , schwach t u r b u l e n t e S c h i c h t e n mit k l e i n e r e n , v e r t i k a l e n G r a d i e n t e n getrennt waren. D i e F e i n s t r u k t u r e n wurden auf räumlich und z e i t l i c h

zufällig v e r t e i l t e Vermischungsvorgänge zurückgeführt. Dementsprechend sah McKean (1974) d i e Temperatur- bzw. D i c h t e s t r u k t u r a l s e i n e n P o i s s o n - P r o z e s s an, i n dem d i e v e r t i k a l e Ausdehnung der Vermischungsvorgänge e i n e Z u f a l l s - v a r i a b l e d a r s t e l l t e . E i n e P o i s s o n - V e r t e i l u n g i s t d i s k r e t und w i r d m e i s t für den F a l l a n g e s e t z t , daß d i e W a h r s c h e i n l i c h k e i t e i n e s e i n z e l n e n E r e i g n i s s e s g e r i n g I s t , während d i e A n z a h l d e r E r e i g n i s s e recht groß i s t . R e v e r s i b l e F e i n s t r u k t u r e n können durch d i e Änderungen d e r v e r t i k a l e n Auslenkungen mit der T i e f e i n Folge von I n t e r n e n W e l l e n h e r v o r g e r u f e n werden. Für d i e s e n F a l l wurde von Desaubies und Gregg (1981) d i e W a h r s c h e i n l i c h k e i t s -

d i c h t e f u n k t i o n des Temperaturgradienten b e s c h r i e b e n .

In diesem K a p i t e l werden d i e v e r s c h i e d e n e n Ursachen der F e i n s t r u k t u r e n u n t e r s u c h t , wobei u n t e r s c h i e d l i c h e Methoden für i h r e Trennung verwendet werden. W e i t e r h i n s o l l e n , wie auch im nächsten K a p i t e l , d i e dominierenden Prozesse i n d e r j a h r e s z e i t l i c h e n S p r u n g s c h i c h t im JASIN-Geblet bestimmt werden.

5.1. Methoden zur Separierung der u n t e r s c h i e d l i c h e n Entstehungsprozesse

In verschiedenen A r b e l t e n wurden Methoden für d i e Trennung der

u n t e r s c h i e d l i c h e n Prozesse e n t w i c k e l t , d i e F e i n s t r u k t u r e n verursachen bzw.

verändern. Oftmals wurden dabei d i e Veränderungen der verschiedenen Parame- t e r f e l d e r v e r g l i c h e n . Zunächst s o l l e n d i e Methoden kurz s k i z z i e r t werden, an Hand derer die Datensätze der beiden Mültischiff-Experimente a n a l y s i e r t und somit u n t e r s c h i e d l i c h e Prozesse erkannt wurden.

T/S-Diagramm

Mit H i l f e von T/S-Diagrammen kann man verschiedene Prozesse auf Grund i h r e r Auswirkungen auf d i e Temperatur- und Salzgehaltsbeziehung beobachten ( G a r g e t t , 1978). Dabei geht man von e i n e r ungestörten T/S-Kurve aus, d i e man even-

t u e l l durch M i t t e l u n g über einen genügend langen Zeitraum e r h a l t e n kann.

E i n e Deformation des m i t t l e r e n P r o f i l s auf Grund von i n t e r n e n Wellen v e r u r - sacht eine g l e i c h große Auslenkung der verschiedenen Parameter. Dies w i r k t s i c h im T/S-Diagramm dahingehend aus, daß d i e T i e f e n l a g e n e n t l a n g der ungestörten T/S-Kurve verschoben werden. Für den F a l l der t u r b u l e n t e n , v e r - t i k a l e n Vermischung werden d i e Temperatur-, S a l z g e h a l t s - und D i c h t e f e l d e r e b e n f a l l s gleichermaßen verändert, so daß man i n verschiedenen T i e f e n -

b e r e i c h e n d i e g l e i c h e n Wassermassen beobachten kann. Im T/S-Diagramm f a l l e n dabei verschiedenen T i e f e n l a g e n auf der ungestörten T/S-Kurve zusammen. B e i der Advektion entlang von Isopyknen wird d i e v e r t i k a l e D i c h t e v e r t e l l u n g n i c h t verändert. Die Temperatur- und Salzgehaltsänderungen s i n d p r o p o r t i o n a l , so daß s i e im T/S-Diagramm eine Verschiebung der T i e f e n l a g e n entlang der I s o - pyknen bewirken. Für den F a l l von D o p p e l d i f f u s i o n s p r o z e s s e n werden d i e Temperatur-, S a l z g e h a l t s - und D i c h t e f e l d e r u n t e r s c h i e d l i c h d e f o r m i e r t . Im T/S-Diagramm beobachtet man eine entsprechende Drehung der ungestörten T/S-Kurve.

An Hand der während der beiden Mültischiff-Experlmente aufgenommenen Datensätze wurden über eine Trägheitsperiode g e m i t t e l t e P r o f i l e g e b i l d e t .

In d i e s e r Region betrug eine Trägheitsperiode c i r c a 14 Stunden. Die

T/S-Diagramme d i e s e r g e m i t t e l t e n P r o f i l e wurden mit denen e i n z e l n e r P r o f i l e v e r g l i c h e n . E i n typisches B e i s p i e l z e i g t d i e Abbildung 5.1.1., i n der das