English Title: Tracer investigations on deep water formation and circulation in the Nordic Seas

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Abstract

Tritium/Helium, O18, SF6 und Freon Messungen aus dem Europäischen Nordmeer werden in dieser Arbeit für die Prozessstudie eines Schelfwasserabflusses sowie zur Bestimmung der Tiefenwassererneuerung und -zirkulation in der Grönlandsee benutzt. Die Prozessstudie zeigt, dass eine kombinierte Salzgehalts- und O18-Bilanz aufgrund des Salzausstosses und der Isotopenfraktionierung bei der Eisbildung eine Bestimmung des Schelfwasserabflusses (BSW) in lokalen, stark durch die Eisbildung beeinflussten Ausstromgebieten ermöglicht. Der im Winter 1996/1997 untersuchte Ausstrom aus dem Storfjord (Spitzbergen) wurde mit dieser Methode zu 1±0,35e12 m³ abgeschätzt. Im Bodenwasser der Storfjordrinne beobachtete niedrige 3He/4He-Verhältnisse lassen eine Beeinflussung durch radiogenes Helium vermuten. Die Spurenstoffmessungen in der Grönlandsee zeigen zusammen mit den hydrographischen Daten eine Unterteilung des Tiefenwasserkörpers der Grönlandsee seit 1980 in einen advektiv durch die Tiefenwassermassen des Nordpolarmeeres und von der Oberfläche erneuerten Tiefenbereich (1500 - 2500 m) sowie eine vorwiegend diffusiv erneuerte Bodenwassermasse. Der turbulente Diffusionskoeffizient in 2500 m Tiefe wurde aus Tritium-Helium-Beobachtungen zwischen 1992 und 1998 zu 2±1e-3 m²/s bestimmt. Die Auswertung der Spurenstoffdatensätze mit einem Boxmodell des Europäischen Nordmeeres zeigt eine Erneuerung des Tiefenbereiches 1500 - 2500 m von der Oberfläche mit 0,3±0,1 Sv von 1980 bis 1989 und ab 1989 einen Rückgang auf 0,15±0,05 Sv. Der Tiefenwasseraustausch mit dem Nordpolarmeer blieb konstant und gewinnt so gegenüber der Erneuerung von der Oberfläche an Einfluss. Die beobachtete Verteilung von SF6 im Europäischen Nordmeer wird durch die Ergebnisse des mit den Spurenstoffen Tritium, Helium, F11 und F12 geeichten Boxmodells gut wiedergegeben, was das Potenzial von SF6 als transienter Tracer aufzeigt.

Translation of abstract (English)

Tritium/Helium, O-18, SF6 und CFC data sets collected in the Nordic Seas are used for a process study of the generation of a shelfwater plume and the investigation of deep water ventilation and circulation in the Greenland Sea. On the basis of the isotopic fractionation and brine rejection occuring during the freezing process a combined O-18 and salinity balance calculation allows to estimate the volume of the produced brine enriched shelf water (BSW). The volume of the BSW draining out regularly in wintertime from the Storfjord (Svalbard) as a shelf water plume was estimated by this method to 1±0.35e12 m³ in winter 1996/1997. Low 3He/4He-ratios observed in the bottom water of the Storfjord Trough suggest a contribution of radiogenic helium. The tracer data sets of the Nordic Seas in combination with hydrographic data indicate a sub-division of the Greenland Sea Deep Water since 1980. Since then, only the depth region from 1500 - 2500 m has been renewed advectively by the deep water masses of the Arctic Ocean and surface water, whereas the Greenland Sea Bottom Water has been renewed mainly by turbulent diffusion. The turbulent diffusivity at the 2500 m depth level was calculated from tritium and helium observations spanning the time period from 1992 to 1998 to be 2±1e-3 m²/s as a basin-wide average. On the basis of the given data sets, a box model shows a ventilation rate of 0.3±0.1 Sv from 1980 to 1989 followed by a reduced ventilation of 0.15±0.05 Sv since 1989 in the depth region from 1500 - 2500 m. The exchange with the deep water masses of the Arctic Ocean remained constant during this time period and has gained influence in comparison to the renewal by surface waters. The observed SF6 concentrations in the Nordic Seas are in good agreement with the results of the box model, which was tuned to fit the mean concentrations of tritium, helium, CFC11 and CFC12. This shows the potential usefulness of SF6 as a transient tracer.