Einleitung

Die Erforschung von Klimaveränderungen gewinnt zunehmend an Bedeutung. Um langfristige Vorhersagen über zukünftige Entwicklungen machen zu können, ist es notwendig, die komplexen Vorgänge des Zusammenspiels teilweise unterschiedlicher Prozesse im Detail zu verstehen. Ein aktuelles Beispiel solcher Bemühungen ist die Erforschung der globalen Erwärmung der Erdatmosphäre - der sogenannte Treibhauseffekt - der langfristig zu gravierenden Klimaveränderungen führen kann.

Zur Berechnung der langfristigen Tendenz der Temperaturzunahme ist es notwendig, eine globale Bilanzierung der für den Treibhauseffekt relevanten Spurengase, wie z. B. CO, durchzuführen. Die Konzentration dieses Gases steigt kontinuierlich an, was auf eine weltweite Zunahme der Verbrennung fossiler Brennstoffe und die Abholzung tropischer Regenwälder zurückzuführen ist. Jährlich werden insgesamt etwa 7GtC (Gigatonnen Kohlenstoff, 1 Gt = 10g) freigesetzt. Die CO-Konzentration in der Erdatmosphäre erhöht sich dabei jedoch nur um ca. 3.4GtC pro Jahr [Siegenthaler und Sarmiento, 93]. Der Verbleib der restlichen 3.6GtC ist bislang noch nicht vollständig geklärt. In diesem Zusammenhang ist die Rolle der Weltmeere als Senke für das Treibhausgas CO von entscheidender Bedeutung. Schätzungen der jährlichen Aufnahmekapazität der Ozeane belaufen sich auf ca. 2.00.6GtC ([Siegenthaler und Sarmiento, 93]) und 3.02.0GtC ([Keeling, Shertz, 92]). Falls die CO-Aufnahme der Ozeane tatsächlich nur bei etwa 2.0GtC pro Jahr liegen würde, so mü\3te eine weitere Senke für CO existieren, welche in der Lage ist, die Menge von 1.6GtC - und damit in etwa die gleiche Menge wie die gesamten Weltozeane - pro Jahr aufzunehmen. Noch ist nicht klar, ob es sich bei dieser fehlenden Senke (engl. missing sink) um einen Effekt handelt, der längerfristig den katastrophalen Anstieg verhindern kann, oder ob dies eine kurzfristige Pufferwirkung des Systems Erdatmosphäre-Ozean-Biomasse darstellt, die den Anstieg nur verzögert. Eine mögliche Erklärung wäre, da\3 die Landvegetation durch den Überschu\3 an CO und Stickstoffverbindungen eine Art künstlicher Düngung erfährt, die zu einem verstärkten globalen Wachstum der Pflanzen führt. Diese These konnte bisher jedoch noch nicht bestätigt werden.

Aufgrund der Abweichungen zwischen den verschiedenen Schätzungen der jährlichen CO-Aufnahme der Ozeane ist es notwendig, zuverlässige Me\3methoden für Austauschraten von Gasen zwischen Ozean und Atmosphäre zu entwickeln und die zugrunde liegenden Mechanismen des Gasaustausches im Detail zu verstehen. Die Erforschung der Transportvorgänge an der Ozeanoberfläche liefert somit einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der globalen Bilanz klimarelevanter Gase. Es zeigt sich, da\3 diese Vorgänge von einer mikroskopischen Schicht an der Wasseroberfläche dominiert werden. Innerhalb weniger 10 bis 100 m wird die dreidimensionale, freie Konvektion auf Bewegungen entlang der zweidimensionalen Wasseroberfläche eingeschränkt. Turbulenzen können durch die Luft-Wasser-Phasengrenze nicht hindurchgreifen. Dies führt dazu, da\3 Konvektion direkt an der Wasseroberfläche nicht mehr zum Transport von Gasen von der Oberfläche in die Tiefe beitragen kann. Innerhalb der obersten Wasserschicht kann ein Gas nur durch die viel langsamere Diffusion transportiert werden. Die Dicke der Schicht innerhalb der der diffusive Transport den konvektiven Transport überwiegt, wird als Grenzschicht bezeichnet. Sie stellt den Hauptwiderstand für den Austausch gering löslicher Gase, wie z. B. CO, zwischen Ozean und Atmosphäre dar. Damit kontrollieren Vorgänge, die sich innerhalb einer mikroskopischen Schicht an der Wasseroberfläche abspielen, ein globales Phänomen.

Die detaillierten Transportmechanismen innerhalb dieser Grenzschicht sind noch weitgehend unverstanden. Obwohl der Einflu\3 der Turbulenz bei Annäherung an die Wasseroberfläche zunehmend unterdrückt wird, sind Restturbulenzen auch innerhalb der Grenzschicht vorhanden. Da die turbulente Mischung um mehrere Grö\3enordnungen schneller vonstatten geht, als der diffusive Transport, wird jede Form von Restturbulenz den Austausch von Gasen über die Grenzschicht stark beschleunigen. Ein wesentliches Ziel der Erforschung von Transportvorgängen an der Wasseroberfläche ist es, das komplexe Wechselspiel zwischen Turbulenz und Diffusion zu verstehen. Nur so können die Transportmechanismen aufgedeckt und die Abhängigkeit des Gasaustausches von Parametern, wie z. B. der Windgeschwindigkeit und Oberflächenbeschaffenheit, über eine heuristische Modellierung hinaus verstanden werden.

Eine zentrale Grö\3e zur quantitativen Beschreibung des Nettotransportes stellt die sogenannte Transfergeschwindigkeit k dar. Sie liefert ein Ma\3 für die Geschwindigkeit, mit der ein Gas über die Grenzschicht transportiert wird. Über die Beziehung

verknüpft sie den Gasflu\3 j über die Wasseroberfläche mit der Konzentrationsdifferenz zwischen der obersten Wasserschicht und dem Tiefenwasser (engl. bulk). Obwohl die Transfergeschwindigkeit nur die mittlere Geschwindigkeit des Gasaustausches beschreibt und damit keine Aussagen über die zugrunde liegenden Transportmechanismen zulä\3t, stellt sie eine wichtige Me\3grö\3e zur Bilanzierung der globalen Gaskonzentrationen dar.

Zur Bestimmung der Transfergeschwindigkeit wurden bisher sogenannte Massenbilanzmethoden verwendet. Dabei wird die Konzentration eines Gases im Wasser künstlich erhöht oder erniedrigt und die zeitliche Konzentrationsänderung gemessen. Aus der Zeitkonstanten des Ausgleichsvorganges lä\3t sich der Gasflu\3 über die Grenzschicht ermitteln und damit - bei vorgegebener Konzentrationsdifferenz - die Transfergeschwindigkeit berechnen. Da sich die Konzentration des gesamten Wasserkörpers nur langsam ändert, sind lange Me\3zeiten nötig, um eine ausreichende Genauigkeit zu erreichen. Während Messungen der Transfergeschwindigkeiten mit Massenbilanzmethoden im Labor kein allzu gro\3es Problem darstellen, ergeben sich gro\3e Schwierigkeiten bei der Entwicklung feldgängiger Me\3methoden. In Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit liegen die Einstellzeiten in typischen Windkanälen im Bereich von Minuten bis zu mehreren Stunden. Auf dem Ozean hingegen sind Me\3dauern über mehrere Tage bis Wochen notwendig, um einen Wert der Transfergeschwindigkeit zu ermitteln. Es liegt auf der Hand, da\3 innerhalb dieser Zeit die meteorologischen Bedingungen keinesfalls konstant sind. Die Transfergeschwindigeit liefert somit nur ein Ma\3 für die mittleren Gasaustauschraten über den Zeitraum der Messung. Eine Parametrisierung des Gasaustausches anhand der äu\3eren Bedingungen, wie z. B. der Windgeschwindigkeit wird damit unmöglich.

Ein zusätzliches Problem stellt bei Ozeanmessungen die Tatsache dar, da\3 sich die Bereiche der Wasseroberfläche, in denen die Gaskonzentration verändert wurde, mit der Meeresströmung ausbreiten. Es lä\3t sich nicht eindeutig feststellen, inwieweit eine Abnahme der Gaskonzentration auf Austausch zwischen Ozean und Atmosphäre oder auf eine Ausbreitung in horizontaler Richtung bzw. auf Austausch mit dem Tiefenwasser zurückzuführen ist. Dieses Problem wurde durch die Verbesserung sogenannter Dual-Tracer-Methoden teilweise gelöst. Dabei werden zwei verschiedene Gase mit unterschiedlichen Diffusionskonstanten verwendet und die relative Änderung des Mischungsverhältnisses gemessen ([Watson et al., 91], [Wanninkhof et al., 93]). Es besteht jedoch weiterhin das Problem der langen Zeitkonstanten.

Die grundlegende Idee der sogenannten Controlled Flux Technique (CFT) besteht darin, die Flu\3rate j über die Grenzschicht fest einzustellen und den resultierenden Konzentrationsgradienten über die viskose Grenzschicht zu messen ([Jähne, 80], [Jähne et al.,89]). Da sich die Konzentrationsdifferenz ohne Zeitverzögerung auf den Tracerflu\3 einstellt, lä\3t sich die Messung innerhalb weniger Minuten durchführen. Unter Verwendung von Wärme, anstelle von Gasen, wird der Konzentrationsgradient durch den Temperaturgradienten über die thermische Grenzschicht ersetzt. Diese kann mit Hilfe eines Strahlungsthermometers gemessen werden. Der Tracerflu\3 wird dabei durch den Flu\3 von Wärmestrahlung ersetzt. Diese kann durch leistungsstarke Infrarotstrahler erzeugt werden. Mit dieser Technik war es erstmals möglich, die Gasaustauschraten berührungslos und mit hoher zeitlicher Auflösung zu messen ([Libner, 87]). In einer Weiterentwicklung des Verfahrens wurde das Strahlungsthermometer durch eine abbildende Infrarotkamera ersetzt und ein Infrarotlaser anstelle der Heizstrahler verwendet ([Reinelt, 94]). Beide Verfahren waren jedoch nicht zum Einsatz auf der Ozeanoberfläche geeignet.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein feldgängiges Me\3instrument zu entwickeln, um damit die Transferprozesse an der freien Ozeanoberfläche durch verschiedenartige aktive und passive thermographische Me\3verfahren im Detail zu untersuchen. Neben der Bestimmung der Transfergeschwindigkeit als Ma\3 für die Geschwindigkeit der Austauschvorgänge, sollten dabei auch die verschiedenen Modelle der zugrunde liegenden Transportmechanismen auf ihre Gültigkeit hin überprüft werden. Dazu wurde die Reaktion der thermischen Grenzschicht auf eine lokale Erwärmung untersucht und die zeitlichen Abklingkurven der Temperaturerhöhung mit den theoretischen Vorhersagen verschiedener Transportmodelle und den Ergebnissen einer numerischen Simulation verglichen. Zusätzlich wurde die statistische Verteilung der natürlichen Oberflächentemperaturen auf der Meeresoberfläche analysiert, woraus sich Aussagen über die zugrunde liegenden Transportmodelle ergaben und eine direkte Bestimmung der Transfergeschwindigkeit aus thermographischen Aufnahmen der Ozeanoberfläche, ohne zusätzliche Erwärmung, möglich wurde. Insgesamt wurde die Grenzschicht an der Wasseroberfläche als blackbox betrachtet und mit verschiedenartigen Me\3methoden die Reaktion dieses Systems auf künstliche Wärmeflüsse und Änderungen der meteorologischen Randbedingungen analysiert. Neben der Möglichkeit, erstmals die Transfergeschwindigkeit auf der Ozeanoberfläche mit einer Zeitauflösung von wenigen Minuten zu messen, ergaben sich neue Erkenntisse über die Transportmechanismen an der freien Meeresoberfläche.

Die thermographische Untersuchung der Wasseroberfläche liefert ein Bild der Temperaturverteilung, wobei die Tiefeninformation durch Integration des Strahlungsflusses verschiedener Tiefenschichten verloren geht. Zur Interpretation der Messungen war es notwendig, die strahlungsphysikalischen Vorgänge innerhalb der oberen Schichten der Wasseroberfläche grundlegend zu verstehen. In den Kapiteln 2 und 3 wird daher eine ausführliche Einführung in die Strahlungstheorie und Infrarotradiometrie gegeben. Dabei wird speziell auf die Eigenschaften der Wasseroberfläche im Infraroten eingegangen. Ein weiterer Schwerpunkt wird auf die Beschreibung der verwendeten Infrarotkamera und der speziell entwickelten Temperatur-Kalibriereinrichtung gelegt.

Im Vergleich zum Transport nicht-reaktiver Gase wird die Verwendung von Wärme als Tracer durch zahlreiche Quellen und Senken für Wärme innerhalb der thermischen Grenzschicht erschwert. Die allgemeine Transportgleichung unter Berücksichtigung dieser Effekte wird in Kapitel 4 hergeleitet.

Zum besseren Verständnis der Ergebnisse der Messungen wurde eine dreidimensionale, numerische Simulation der Vorgänge innerhalb der thermischen Grenzschicht der Wasseroberfläche unter den gegebenen Me\3bedingungen durchgeführt. In Kapitel 5 wird die Durchführung der Simulation beschrieben und die Ergebnisse im Hinblick auf die Auswertung der Messung diskutiert.

Die technische Realisierung des Ozeaninstrumentes und die damit durchgeführten Messungen werden in den Kapiteln 6 und 7 beschrieben. Den Abschlu\3 bilden zwei Kapitel, in denen die verschiedenen Verfahren der Auswertung und die physikalischen Ergebnisse vorgestellt werden.