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Visualization of air and water-sided concentration profiles in laboratory gas exchange experiments

Krah, Nils

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Abstract

In this work, the transport of a tracer gas from air into water is studied experimentally under turbulent, wavy conditions imposed by a unidirectional wind field in a laboratory flume. To this end, a technique based on laser induced fluorescence recorded with cameras is developed to visualize the spatial tracer distribution in both phases simultaneously. Dedicated image processing procedures are developed to determine statistically averaged vertical profiles of absolute concentration in coordinates relative to the wavy water surface. A thorough characterization of the technique in terms of systematic errors is presented and a simple method to estimate the vertical probability distribution of turbulent eddies in water is proposed. Invasion experiments are performed in which supersaturation of acetone in the flume's air compartment is imposed giving rise to a vertical flux into the water. The equivalence of momentum and mass transport in air, presumed by many theoretical descriptions, is confirmed experimentally by comparing characteristic scaling properties of wind and concentration profiles. Results also suggest that surfactants suppress gas exchange by modifying the water-sided boundary conditions and altering the turbulent water flow close to the surface regardless of the wind regime. Furthermore, observed discontinuity of complete air-water concentration profiles leads to the hypothesis that kinetic processes on molecular scale at the interface must be considered additionally to fluid mechanical descriptions.

Translation of abstract (German)

In dieser Arbeit wird der Transport eines Spurenstoffgases von Luft in Wasser experimentell untersucht. Dazu werden in einem Windkanal Turbulenz und Wellen durch ein gerichtetes Windfeld erzeugt. Es wird insbesondere eine Technik zur gleichzeitigen bildhaften Darstellung der räumlichen Spurengasverteilung in beiden Phasen entwickelt, die auf dem Prinzip der laserinduzierten Fluoreszenz beruht, die von Kameras aufgenommen wird. Spezielle Bildverarbeitungsprozeduren werden entwickelt, um statistisch gemittelte vertikale Profile absoluter Konzentrationen in Koordinaten relativ zur welligen Wasseroberfläche zu bestimmen. Eine gründliche Charakterisierung der Technik in Bezug auf systematische Fehler wird vorgestellt und eine einfache Methode wird vorgeschlagen, um die vertikale Wahrscheinlichkeitsverteilung turbulenter Eddies im Wasser zu schätzen. In Invasionsexperimenten wird eine erhöhte Acetonkonzentration im Luftraum des Windkanals und dadurch ein Massenfluss ins Wasser erzeugt. Die Gleichwertigkeit von Impuls- und Massentransport in der Luft, die vielen theoretischen Beschreibungen als Annahme zugrunde liegt, wird bestätigt durch den experimentellen Vergleich der Skalierungseigenschaften von Wind- und Konzentrationsprofilen. Ergebnisse legen zudem nahe, dass oberflächenaktive Substanzen Gasaustausch unterdrücken, indem sie die wasserseitigen Randbedingungen und dadurch den turbulenten Fluss nahe der Oberfläche verändern, unabhängig vom Windstärkenbereich. Weiterhin führt die beobachtete Diskontinuität der vollständigen Luft-Wasser Konzentrationsprofile zur Hypothese, dass kinetische Prozesse auf molekularer Skala zusätzlich zu fluidmechanischen Beschreibungen beachtet werden müssen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Jähne, Prof. Dr. Bernd
Date of thesis defense: 8 May 2014
Date Deposited: 16 May 2014 11:59
Date: 2014
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Uncontrolled Keywords: gas exchange, air-sea interaction, visualization
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