English Title: On the Parametrization of Air-Sea Gas Transfer with the Aid of Laboratory Experiments

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Abstract

In der folgenden Arbeit werden in Laborexperimenten die Mechanismen des Gasaustausches zwischen Atmosphäre und Meer untersucht. Dazu wurde erstmals ein ringförmiger Wind-Wasser-Kanal eingesetzt, der gegenüber linearen eine Reihe von Vorteilen aufweist. Der Einfluß der Zentrifugalkräfte auf die Austauschprozesse erwies sich als gering. Gemessen wurden neben der Gasaustauschrate für CO2 der Transfer von Wärme in Wasser, die Verdunstungsrate, die Schubspannungsgeschwindigkeit und mit Hilfe einer optischen Methode Neigungsspektren und mittlere Neigungen der Wasserwellen.

Im glatten Fall entspricht die viskose Grenzschicht beiderseits der Wasseroberfläche völlig der an einer festen Wand. Das bestätigen die Experimente sowohl durch die absoluten Raten als auch durch die Schmidtzahlabhängigkeit des Gasaustausches von Sc^(-2/3), die unmittelbar aus Kontinuitätsüberlegungen resultiert. Mit dem Auftreten von Kapillarwellen steigen die Transfergeschwindigkeiten der wasserseitig kontrollierten Austauschprozesse stark an. Die Erhöhung des Gasaustausches ist besonders groß, da sich gleichzeitig die Schrnidtzahlabhängigkeit auf Sc^(-1/2) ändert. Zur Erklärung des hohen Anstiegs reichen die bisherigen theoretischen Vorstellungen eine Grenzschichtdickenvariation durch Kapillarwellen nicht aus. Die Änderung der Schmidtzahlabhängigkeit des Gasaustausches deutet vielmehr an, daß durch das Wellenfeld sich ein neuer Mechanismus des turbulenten Transports einstellt. Zur Parametrisierung des Einflusses der Wellen erscheint die mittlere quadratische Neigung der Wellen als geeignete Größe. In Übereinstimmung mit Laborexperimenten an linearen Wind-Wasser-Kanälen entfaltet sich der Einfluß der Kapillarwellen in einem Schubspannungsgeschwindigkeitsbereich von u = 10-30 cm/sec (U10 = 3-8 m/sec). In diesem Bereich steigt der Gasaustausch mit u_*^2 bis u_*^3 an. Bei höheren Geschwindigkeiten ist der Gasaustausch proportional zu u_*. Das Zusammenwirken von turbulentem Transport und chemischer Reaktion läßt sich mit genügender Genauigkeit mit dem tau-Modell berechnen.