Quantifizierung der Mechanismen des Gasaustauschs zwischen Atmophäre und Meer und Überbrückung von Labor und Feld durch bildgebende Messungen

• Antragsteller: Professor Dr. Bernd Jähne
• Fachliche Zuordnung: Physik, Chemie und Biologie des Meeres ; Bild- und Sprachverarbeitung, Computergraphik und Visualisierung, Human Computer Interaction, Ubiquitous und Wearable Computing
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 454778408

Der wichtige Prozess des Gasaustausches zwischen Atmosphäre und Meer ist noch nicht genügend gut verstanden. Dies liegt hauptsächlich an ungenügenden Messtechniken. Feldmessungen gibt es nur in einem relativ engen Windgeschwindigkeitsbereich von 4--20 m/s mit teilweise widersprüchlichen Ergebnissen. Zuverlässige Ergebnisse für niedrigere Windgeschwindigkeiten fehlen, da dafür alle vorhandenen Messtechniken nicht geeignet sind. Auch konnten Feldmessungen bisher kaum etwas zu den Mechanismen des Gasaustausches beitragen.Das ist viel besser mit Labormessungen in Wind-Wasser-Kanälen möglich. Hier stellt sich aber das Problem, dass die Bedingungen stark von denen auf dem offenen Ozean abweichen.Lineare Kanäle haben nur eine kurze Laufstrecke des Windes und generieren damit nur eine junge Windsee, die stark von einem Wellenfeld im Gleichgewicht mit dem Wind abweicht (Fetchlücke). Sogar in einem ringförmigen Kanal mit unendlicher Laufstrecke, wie dem Heidelberger Aeolotron, sind die Wellen anders als auf dem offenen Ozean: wegen der geringen Wassertiefe laufen die Wellen nicht schnell genug (Wellenalterlücke).Ein radikal neuer Ansatz wird hier vorgeschlagen, um all die geschilderten Probleme zu lösen und Gasaustauschmessungen im Labor bei niedrigen und mittleren Wischgeschwindigkeiten durchzuführen, die ozeanische Bedingungen genügend realistisch simulieren. Neue bildgebende Messtechnik wird benutzt, um die Gasaustauschrate lokal und instantan im Heidelberger Aeolotron unter nicht-stationären Bedingungen zu messen. So kann der gesamte Fetchbereich umfasst werden, einschließlich Wellenfelder bei abklingender Windgeschwindigkeit. Die Wellenalterlücke wird geschlossen durch schwere Gase (Argon und Krypton) in der Atmosphäre des Aeolotrons.Aktive Thermographie zur Messung der Wärmeaustauschrate über die wasserseitige viskose Grenzschicht wird zusammen mit einer neuartigen opto-chemischen Technik benutzt, um die Massengrenzschicht sichtbar zu machen und daraus die Gasaustauschrate zu bestimmen. Auch der für niedrige Windgeschwindigkeiten so wichtige Einfluss oberflächenaktiver Stoffe wird im Detail untersucht werden.Zwei wesentliche Ergebnisse werden erwartet. Zum einen eine quantitative Beschreibung der Mechanismen des Gasaustausches unter ozeanischen Bedingungen und damit eine physikalisch fundierte Beziehung der Transfergeschwindiigkeit als Funktion der Parameter die diese bestimmen. Mit eingeschlossen ist die Analyse der möglichen Bereiche der Transfergeschwindigkeiten in verschiedenen Windgeschwindigkeitsbereichen.Zum zweiten eine einfache Technik, um den Gasaustausch im Feld instantan zu mes\-sen. Das Instrument besteht nur aus einer Wärmebildkamera und bestimmt die Transfergeschwindigkeit und den vorliegenden Mechanismus aus den räumlichen und zeitlichen thermischen Mustern auf der Meeresoberfläche. So wird es auch möglich sein zu prüfen, ob die Labormessungen alle für den Ozean relevanten Zustände umfasst haben.

• DFG-Verfahren: Reinhart Koselleck-Projekte