Gasaustausch bei hohen Windgeschwindigkeiten

• Antragsteller: Professor Dr. Bernd Jähne
• Fachliche Zuordnung: Physik, Chemie und Biologie des Meeres ; Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 276732622

Im Vorgängervorhaben wurden Gasaustauschmessungen bei hohen Windgeschwindigkeiten in den Hochgeschwindigkeitskanälen der Universität Kyoto und SUSTAIN in Miami durchgeführt. Bei Windgeschwindigkeiten über 33 m/s (u_10) ergab sich ein neues Regime, in dem die Transfergeschwindigkeit schneller als mit der Schubspannungsgeschwindigkeit hoch drei ansteigt. Blaseninduzierter Austausch konnte von dem an der freien Wasseroberfläche getrennt werden. In Süßwasser ist der Gasaustausch über Blasenoberflächen unbedeutend. In Meerwasser bei 80 m/s Wind für Gase mit niedriger Löslichkeit wie He und SF6 ist er 1.7 mal höher als der Transfer durch die Oberfläche. Für CO2 und DMS ist er unerheblich.Dieses Vorhaben soll die Frage beantworten, was die stark ansteigenden Gasaustauschraten bei hohen Windgeschwindigkeiten verursacht. Die Hypothese ist, dass der Grund entweder die stark ansteigende Turbulenz assoziiert mit allen Arten des Aufbrechens der Wasseroberfläche, eine stark vergrößerte Austauschfläche oder eine Kombination aus beidem ist. Wind-Wasser-Kanäle mit kurzer Überstreichlänge sind nicht repräsentativ für ozeanische Bedingungen. In der Tat sind die Blasenkonzentrationen im ringförmigen Heidelberger Aeolotron mit unendlichem Fetch etwa zehnmal höher. Das könnte bedeuten, dass das stark mit dem Wind ansteigende Regime bei hohen Windgeschwindigkeiten schon bei etwa nur halb so hohen Windgeschwindigkeiten einsetzt.Messungen im Aeolotron können die Lücke zwischen Labor- und ozeanischen Bedingungen signifikant verringern: A) Mit schnellen Gastauschmessungen (Einstellzeit 10 s) kann die ``Fetch-Lücke'' geschlossen werden, indem sie direkt nach Einschalten des Winds durchgeführt werden. Das Wellenfeld entwickelt sich dann in etwa 10 min, so dass der ganze Fetchbereich bis unendlich erfasst wird. B) Mit einer SF6 Atmosphäre kann die ``Wellenalter-Lücke'' reduziert werden. Etwa 2.2 mal höhere Schubspannungsgeschwindigkeiten werden bei der gleichen Windgeschwindigkeit erreicht. Damit werden die effektiven Windgeschwindigkeiten um den gleichen Faktor nach unten skaliert, so dass mehr als zwei mal höhere Wellenalter als in allen früheren Laborexperimenten erreicht werden können. Die Experimente am Aeolotron schließen auch hochlösliche Gase mit ein, die gasseitig kontrolliert sind, um besser zu verstehen, wie verschiedene Arten der Austauschfläche (brechende Wellen mit Schaumkronen, geschlossene Blasenoberflächen, Tropfen und die durch platzende Blasen und einschlagende Tropfen ständig gestörte Wasseroberfläche) zum Gasaustausch beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen