Der Transport von Gasen über die Grenze zwischen Wasseroberfläche und Atmosphäre geschieht durch zwei prinzipielle Mechanismen: Diffusion und turbulente Konvektion. Während die Diffusion nur auf kleinen Skalen effektiv zum Transport beiträgt, führt Turbulenz zu einer Durchmischung über gro\3e Strecken. Direkt an der Luft-Wasser-Phasengrenze können keine Turbulenzwirbel existieren, die durch die Phasengrenze hindurchgreifen. Dort mu\3, innerhalb einer dünnen Schicht, der Transport ausschlie\3lich durch Diffusion stattfinden. Mit zunehmender Entfernung von der Wasseroberfläche wächst der Einflu\3 von Turbulenz an und wird, ab einem bestimmten Abstand, der dominierende Transportterm.
Die gleichen Überlegungen gelten für den Transport von Wärme und Impuls. Der Transport eines Wasserelementes durch Strömung führt zu einem Transport aller darin enthaltenen Stoffe und des Wärmeinhaltes. Gleichzeitig findet durch Diffusion ein Austausch der Konzentrationen zwischen benachbarten Volumenelementen statt. Der viskose Transport von Impuls senkrecht zur Strömungsrichtung geschieht durch Reibung zwischen benachbarten Wasserschichten. Mit der Definition der molekularen Viskosität lä\3t sich dieser Vorgang analog zur Diffusion formulieren. Beim konvektiven Transport von Impuls ist die Strömung selbst die transportierte Grö\3e. Dies führt zu einer quadratischen und damit nicht-linearen Abhängigkeit der Transportgleichung für Strömung - der Navier-Stokes Gleichung - von der Geschwindigkeit.
Die Dicke der Schicht unterhalb der Wasseroberfläche, in welcher der diffusive Transport den turbulenten überwiegt, wird als Grenzschicht bezeichnet. Abhängig vom transportierten Stoff werden die Begriffe molekulare Grenzschicht (Gase), thermische Grenzschicht (Wärme) und viskose Grenzschicht (Impuls) verwendet.
Ein bislang nicht vollständig gelöstes Problem ist die tatsächliche Struktur der Turbulenz an der Wasseroberfläche. Es zeigt sich, da\3 auch innerhalb der Grenzschicht Restturbulenz vorhanden ist und dort den Transport gegenüber reiner Diffusion stark beschleunigt. Im Gegensatz zur Diffusion hängt dieser turbulente Beitrag zum Gasaustausch stark von der Windgeschwindigkeit über der Wasseroberfläche ab. Beim Einsetzen von Wellen steigt die Gasaustauschrate, im Vergleich zu glatter Wasseroberfläche, sprunghaft an. Zur Beschreibung des Nettoeffektes der Turbulenz beim Transport eines Stoffes über die Grenzschicht werden verschiedene Modelle verwendet, die eine vereinfachte und linearisierte Näherung der physikalischen Wirklichkeit darstellen.
In diesem Kapitel werden die grundlegenden Zusammenhänge der Transportvorgänge, die für die Messungen der vorliegenden Arbeit relevant sind, erläutert und zusammenfassend beschrieben. Dabei wird speziell auf den Transport von Wärme an der Wasseroberfläche eingegangen und die zur numerischen Simulation der Messung notwendigen Formeln hergeleitet. Im Gegensatz zu nicht-reaktiven Gasen ergeben sich bei Wärme Quellen- und Senkenterme innerhalb des Wasservolumens durch Absorption von Laserstrahlung beim Experiment und Verluste durch Emission langwelliger Strahlung. Direkt an der Wasseroberfläche liefern die natürlichen Oberflächenflüsse durch den Transport sensibler und latenter Wärme veränderte Randbedingungen. Ausführliche und allgemeine Darstellungen der Theorie des Gasaustausches finden sich in [Jähne, 80], [Jähne, 85], [Münsterer, 93] und [Münsterer, 96].