Mechanismen des Gasaustausches zwischen Atmosphäre und Ozean: Laborversuche und Modellierung

• Antragsteller: Professor Dr. Bernd Jähne
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung von 2003 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5402924

• Erstellungsjahr: 2010

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Projekt wurde durch Laborexperimente ein Beitrag zum besseren Verständnis der Mechanismen des Gasaustausches zwischen Atmosphäre und Ozean geleistet. Dazu wurden Gasaustauschmessungen zusammen mit Messungen der Neigung der Windwellen an zwei ringformigen Wind/Wasser-Kanälen, dem großen Aeolotron mit 10 m und einem kleineren Kanal mit 1.2 m Durchmesser, durchgeführt. Mithilfe einer neuartigen schnellen Meßmethode wurde erstmals die Schmidtzahlabhängigkeit des Gasaustausches mit ausreichender Genauigkeit untersucht. Dazu wurden gleichzeitig die Transfergeschwindigkeit mehrerer Gase, darunter He, Ne, H2 , N2 O, CF2 Cl2 , und flüchtiger Aromate gemessen. Die Messungen zeigen einen allmählichen Übergang des Schmidtzahlexponeneten von 2/3 auf 1/2, der am großen Kanal über einen größeren Windgeschwindigkeitsbereich ausgedehnt ist als an dem kleinen. Der allmähliche Übergang wird von keinem der bisherigen empirischen bzw. semiempirischen Modelle korrekt wiedergegeben, die entweder von einem schlagartigen Übergang des Exponenten von 2/3 auf 1/2 ausgehen oder einen festen Exponenten von 1/2 benutzen. Mit einem Facettenmodell, bei dem mit wachsender mittlerer quadratischer Neigung der Windwellen auf einem immer größeren Bruchteil der Wasseroberfläche ein Austausch mit einem Exponenten von 1/2 statt 2/3 geschieht, lassen sich sowohl der allmähliche Übergang des Exponenten als auch die Austauschrate selbst korrekt modellieren. Weiterhin konnte erstmals an einem Wind/Wellen-Kanal die chemische Beschleunigung des Gasaustausches von CO2 gemessen werden. Dies war mit hoher Genauigkeit durch direkten Vergleich mit Austauschraten von N2O moglich, das die gleiche Difusionskonstante wie CO2 aufweist, aber inert ist. Die Bedingungen umfassten sowohl saubere als auch filmbedeckte Wasseroberflächen. Dabei ergaben sich zwei wesentliche Ergebnisse. Zum einen wird die chemische Beschleunigung mit einem einfachen Modell, das die Turbulenz durch Oberflächenerneuerung mit einer chemischen Reaktion erster Ordnung kombiniert, mit einer Genauigkeit von besser als 5% unter allen Bedingungen beschrieben. Zum zweiten beschränkt sich bei filmbedeckter Wasserberfläche die Erhohungen des CO2-Gasaustauschrate durch chemische Reaktivität nicht auf niedrige Windgeschwindigkeiten sondern hat selbst bei mittleren Windgeschwindigkeiten noch einen merklichen Einfluss.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Gas exchange experiments using time resolved UV-spectroscopy. In: Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Spring Conference, Munich, 22.-26.03.2004. Deutsche Physikalische Gesellschaft, 2004
  K. Degreif und B. Jähne
  
• Gasaustausch, Entwicklung und Ergebnis eines schnellen Massenbilanzverfahrens zur Messung der Austauschparameter. Dissertation, Institut für Umweltphysik, Fakultät fur Physik und Astronomie, Univ. Heidelberg, 2004
  R. Nielsen
  
• Gas exchange measurements: the chemically enhanced gas transfer of carbon dioxide at the water surface. In: Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Spring Conference, Heidelberg, 15.-17.03.2006. Deutsche Physikalische Gesellschaft, 2006
  K. Degreif, J. Kuss und B. Jähne
  
• Gas exchange measurements: transition of the boundary conditions from a flat to a rough water surface. In: Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Spring Conference, Heidelberg, 15.-17.03.2006. Deutsche Physikalische Gesellschaft, 2006
  K. Degreif und B. Jähne
  
• Untersuchungen zum Gasaustausch, Entwicklung und Applikation eines zeitlich aufgelösten Massenbilanzverfahrens. Dissertation, Institut fur Umweltphysik, Fakultät fur Physik und Astronomie, Univ. Heidelberg, 2006
  K. Degreif
  
• Estimating the viscous shear stress at the water surface from active thermography. In: H. R. A. Garbe, C. S. und B. Jähne, Hrsg., Transport at the Air-Sea Interface - Measurements, Models and Parameterization, Environmental Science and Engineering, S. 223–239. Springer, Berlin, 2007
  C. S. Garbe, K. Degreif und B. Jähne
  
• The Influence of intermittency on air-water gas transfer measurements. In: H. R. A. Garbe, C. S. und B. Jähne, Hrsg., Transport at the Air-Sea Interface — Measurements, Models and Parameterization, Environmental Science and Engineering, S. 255–274. Springer, Berlin, 2007
  B. Jähne, C. Popp, U. Schimpf und C. S. Garbe
  
• Transport at the Air-Sea Interface — Measurements, Models and Parameterization, Environmental Science and Engineering, 2007. Springer, Berlin
  H. R. A. Garbe, C. S. und B. Jähne
  
• Visualization of oxygen concentration fields in the mass boundary layer by fluorescence quenching. In: C. S. Garbe, R. A. Handler und B. Jähne, Hrsg., Transport at the Air-Sea Interface - Measurements, Models and Parameterization, Environmental Science and Engineering, S. 59–72. Springer, Berlin, 2007
  A. Falkenroth, K. Degreif und B. Jähne