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Transfergeschwindigkeit und daraus abgeleitete Grö\3en

Neben den bisher beschriebenen Zusammenhängen ergeben sich zur Parametrisierung des mittleren Transportes eines Tracers über die Grenzschicht weitere Grö\3en, die hier nur zusammenfassend vorgestellt werden sollen. Eine ausführliche Herleitung findet sich in [Jähne, 80].

Wie bereits in Abschnitt 4.5 beschrieben wurde, lä\3t sich, aufgrund der Linearität der Transportgleichung, die Transfergeschwindigkeit k des Gasaustausches definieren (4.46):
 equation2768
Sie verknüpft den Flu\3 j über die Grenzschicht der Wasseroberfläche mit der Konzentrationsdifferenz zwischen der obersten Wasserschicht und dem gut durchmischten Wasserkörper, die sich unter den gegebenen Bedingungen einstellt. Die Transfergeschwindigkeit beschreibt anschaulich die Geschwindigkeit, mit der ein Tracer im Mittel über die Grenzschicht transportiert wird.

Für Wärme als Tracer kann die Konzentrationsdifferenz durch die Temperaturdifferenz ersetzt werden. Mit (4.2) ergibt sich aus (4.62) die Transfergeschwindigkeit tex2html_wrap_inline14278 für Wärme in Wasser
 equation2775
wobei tex2html_wrap_inline14280 den Wärmeflu\3 über die Grenzschicht bezeichnet.

Aus der Definition der Transfergeschwindigkeit ergeben sich zwei weitere Grö\3en, die den mittleren Austausch beschreiben: die Grenzschichtdicke und die Zeitkonstante.

Die Grenzschichtdicke tex2html_wrap_inline14282 wird definiert als die fiktive Dicke einer Wasserschicht, in welcher ein rein diffusiver Transport stattfindet, wobei sich der Konzentrationsgradient tex2html_wrap_inline14284 bzw. tex2html_wrap_inline14286 zwischen dem oberen und dem unteren Rand der Schicht einstellt:
 equation2783
mit der Diffusionskonstanten D des jeweiligen Tracers. Dies entspricht der Grenzschichtdicke nach dem Filmmodell (Abschnitt 4.2.2).

Die Zeitkonstante tex2html_wrap_inline14290 des Transportes über die Grenzschicht ergibt sich mit (4.64) zu
 equation2793
Sie entspricht anschaulich der Zeit, die ein Tracer benötigt, um mit einer Geschwindigkeit k die Grenzschicht zu durchqueren.

Die Definitionen der Skalierungsparameter k, tex2html_wrap_inline14282 und tex2html_wrap_inline14290 hängen nicht von speziellen Modellvorstellungen ab. Sie ergeben sich als mittlere Grö\3en zur Beschreibung des Nettotransportes über die Grenzschicht der Wasseroberfläche und lassen keine Aussage über die Gültigkeit der verschiedenen Modelle zu. So entspricht z. B. die Zeitkonstante tex2html_wrap_inline14290 der mittleren Lebensdauer tex2html_wrap_inline12236 des Surface Renewal Modells und der Zeit, die im Filmmodell ein Tracerteilchen zum Durchqueren der Grenzschicht benötigt. Weiterhin sind die Parameter nicht unabhängig voneinander. Sie hängen direkt über die Diffusionskonstante zusammen. Falls einer der Parameter bekannt ist, lassen sich alle anderen daraus berechnen. Dies führt zu mehreren Möglichkeiten, die Transfergeschwindigkeit k des Gasaustausches zu bestimmen.


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Horst Haussecker
Tue Jan 14 19:32:36 MET 1997