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Untersuchung des Gasaustausches und der Mikroturbulenz an der Meeresoberfläche mittels Thermographie

Schimpf, Uwe

English Title: Investigations of gas-exchange and micro turbulence at the ocean surface using thermography

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PDF, German
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Abstract

Wärme wird als Tracer für Gase verwendet, um die Austauschprozesse in der Luft- Wasser Phasengrenze und die Mikroturbulenz der Wasseroberfläche zu untersuchen. Aus den Infrarot-Bildsequenzen wird die Gastransfergeschwindigkeit bestimmt und die Struktur der oberflächennahen Turbulenz bezüglich ihrer räumlichen Skala und Orientierung analysiert. Experimente wurden am Heidelberger Wind-Wellen-Kanal und während des CoOP Experimentes 1997 im nordatlantischen Ozean durchgeführt. Die gemessenen Transferraten stimmen mit der Wanninkhof Beziehung überein, wogegen die Liss-Merlivat Beziehung die Transferraten unterschätzt. Oberflächenerneuerungseffekte wurden auf verschiedenen Skalen und bei allen Windgeschwindigkeiten beobachtet. Die auf Oberflächenerneuerung basierende theoretische Temperaturverteilung an der Wasseroberfläche stimmt mit den gemessenen Daten überein. Die mikroskaligen Temperaturfluktuation, welche die turbulenten Transportprozesse in der Grenzschicht widerspiegeln, zeigen im Labor und Feld das gleiche Verhalten. Bei niedrigen Windgeschwindigkeiten sind die großen Skalen dominant, wogegen bei hohen Windgeschwindigkeiten die kleinen Skalen den Transport dominieren. Bei mittleren Windgeschwindigkeiten liefern alle Skalen den gleichen Beitrag zu den Temperaturfluktuationen. Im Wind-Wellen-Kanal sind alle Skalen bevorzugt in Windrichtung orientiert. Auf dem Ozean konnten ebenfalls Vorzugsrichtungen beobachtet werden. Auf dem Ozean können hohe lokale Fluktuationen in der Windrichtung, die instantan die oberflächennahe Turbulenz beeinflussen, eine bevorzugte Orientierung der Temperaturfluktuation hervorrufen, die nicht notwendigerweise mit der mittleren Windrichtung korreliert ist.

Translation of abstract (English)

Using heat as a proxy tracer for gases the exchange process at the air/water interface and the micro turbulence at the water surface is investigated. Infrared image processing techniques allow the determination of the gas transfer velocity and the analysis of the structure of near surface turbulence with respect to spatial scale and orientation. Measurements were carried out in the Heidelberg wind-wave facility and during the 1997 CoOP experiment in the North Atlantic ocean. The gas transfer velocity derived from the experiments agree with the wind speed dependence of the Wanninkhof relationship, whereas the Liss- Merlivat relationship underestimates the transfer rates. Surface renewal effects were observed at different scales and at all wind speeds. The theoretical temperature distribution at the water surface, based on surface renewal, fits the measured data. The micro-scale temperature fluctuations associated with the turbulent transfer at the interface showed the same behavior in the field and laboratory. At low wind speeds the large scales are dominant, whereas at high wind speeds the small scales dominate the transport. At moderate speed all scales contribute equally to the temperature fluctuations. In the wind-wave facility all scales are oriented in the along-wind direction. Preferred alignment is also observed at the ocean. Local, high-amplitude fluctuations in wind direction, which instantaneous modify the near surface turbulence, induce preferred orientation of the temperature fluctuations, which is not generally correlated to the mean wind direction.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Jähne, Bernd
Date of thesis defense: 2 February 2000
Date Deposited: 04 Apr 2000 00:00
Date: 1999
Faculties / Institutes: Service facilities > Interdisciplinary Center for Scientific Computing
The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Infrarotthermographie, Gasaustausch, Turbulenz, Mehrdimensionale Bildverarbeitung, Mehrskalenanalyse
Uncontrolled Keywords: Oberflächenerneuerung , Wind-Wellen Kanal , Wärmeflüsse , Konstantflussmethodegas exchange , infrared image processing , near surface turbulence , surface renewal , controlled flux technique
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