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Visualization of air-water gas exchange

Kräuter, Christine

German Title: Visualisierung des Gasaustausches zwischen Luft und Wasser

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Abstract

The mechanisms of air-sea gas transfer are studied in a large annular air-sea interaction facility, the Heidelberg Aeolotron. A novel visualization technique is used, in which an alkaline gas (ammonia) in ppm concentration levels is absorbed into slightly acid water (pH = 4). The concentration gradient in the aqueous mass boundary layer is transformed into a sharp pH gradient, which is made visible by a fluorescent pH indicator (Pyranine). Regulating the gas flux into the water allows controlling the thickness of the fluorescent layer. By observing the fluorescence induced by high power LEDs on a 2D surface patch ((21 x 25) cm²) with a camera from above at 100 fps and a spatial resolution of 150 μm, the processes creating near-surface turbulence can be studied even at a wavy water surface. Results from an extensive set of experiments are presented, covering wind speeds from 0.4 - 8.6 m/s, different concentrations of a soluble surfactant, and waves with limited and unlimited fetch. The fluorescence footprints of different processes known to contribute to gas exchange, e.g. Langmuir circulations and microscale breaking, are identified. It is found that the transition of the Schmidt number exponent, which is essential for the scaling of transfer velocities of different gases, from 2/3 to 1/2 is correlated with the frequency of microscale breaking. Surfactants shift the onset of surface renewal events to higher wind speeds. Direct comparison to simultaneously captured thermal imagery shows that despite the large difference in diffusion coefficients between ammonia and heat by a factor of 100, the transport of both tracers is governed by the same mechanisms.

Translation of abstract (German)

Die Mechanismen des Gasaustausches zwischen Ozean und Atmosphäre wurden im großen ringförmigen Wind-Wellen Kanal in Heidelberg (Aeolotron) untersucht. Eine neu entwickelte Technik erlaubt die Visualisierung der Invasion eines alkalischen Gases (Ammoniak) in saurem Wasser (pH = 4). Der Konzentrationsgradient in der wasserseitigen Grenzschicht wird in einen scharfen Gradienten im pH-Wert umgewandelt, der durch den Fluoreszenzfarbstoff Pyranin sichtbar gemacht wird. Durch Regelung des Ammoniakflusses kann die Dicke der fluoreszierenden Schicht kontrolliert werden. Eine (21 x 25) cm² große Fläche auf dem Wasser wird durch Hochleistungs-LEDs zur Fluoreszenz angeregt und von oben mit einer Kamera mit einer Frequenz von 100 Hz und einer räumlichen Auflösung von 150 μm beobachtet. Dies ermöglicht die Untersuchung von Prozessen, die nahe einer welligen Wasseroberfläche Turbulenz erzeugen. Ergebnisse aus Messreihen bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten (0.4 - 8 m/s), verschiedenen Konzentrationen von oberflächenaktiven Substanzen und verschiedenen Windwirklängen werden vorgestellt. Charakteristische fluoreszierende Strukturen auf der Wasseroberfläche werden identifiziert (z.B. Langmuir Zirkulationen und "microscale breaking"). Für die Skalierung von Transfergeschwindigkeiten verschiedener Gase ist die Kenntnis des Schmidtzahlexponenten entscheidend. Es wird gezeigt, dass dessen gradueller Übergang von 2/3 zu 1/2 mit der Frequenz des microscale breaking korreliert. Oberflächenfilme verschieben diesen Übergang zu größeren Windgeschwindigkeiten. Ein direkter Vergleich von Fluoreszenz- mit simultan gemessenen Wärmestrukturen zeigt, dass trotz des großen Unterschiedes in den Diffusionskonstanten (Faktor 100) die gleichen Prozesse den Transport beeinflussen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Jähne, Prof. Dr. Bernd
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 4 February 2015
Date Deposited: 09 Mar 2015 11:21
Date: 2015
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
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