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Laboratory Investigations of Air-Sea Gas Transfer under a Wide Range of Water Surface Conditions

Krall, Kerstin Ellen

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Transfer velocities of 5 sparingly soluble gases were measured in two different wind wave tanks at wind speeds between u10=1.2 m/s and 67 m/s. Two different gas analysis techniques were used, FT-IR and UV spectroscopy. Additionally, a method was developed that allows the parallel measurement of gas transfer velocity and the solubility. The fast ’controlled leakage’ method for the measurement of gas transfer velocities was found to be not precise enough to measure Schmidt number exponents and transfer velocities in the Aeolotron. Gas transfer velocities measured spanned more than 3 orders of magnitude, lying between 0.5 cm/h and 1100 cm/h. At lower wind speeds, measured in the Heidelberg Aeolotron, the change of the Schmidt number exponent from 2/3 for a smooth to 1/2 for a wavy water surface was confirmed. A surfactant, which inhibits wave growth, was used in 3 of the 7 experiments. For all surfactant conditions, the change of the Schmidt number exponent spanned a wide range of wind speeds with the mid-point at u10=4.5 m/s for a clean, and at 9 m/s for a surface film covered water surface. It was confirmed that the mean square slope is suitable for the description of the transition of the Schmidt number exponent. The facet model could not reproduce the measured transfer velocities. The transfer velocities measured were found to scale very poorly with the commonly used parameter wind speed u10. The correlation between the mean square slope of the water surface and the transfer velocities was found to be good, except at the lowest mean square slopes. In the Kyoto high speed wind-wave tank, the effect of strong wave breaking and bubble entrainment on the gas transfer velocity was studied. Gas transfer velocities were split up into a purely wave induced part and a part caused by bubbles and wave breaking. The measured gas transfer velocities were found to be up to 350% larger than expected from waves alone at the highest wind speed. Three empirical parameterizations were tested on the bubble induced part, two successfully.

Translation of abstract (German)

In zwei verschiedenen Wind-Wellen-Kanälen wurden Gastransfergeschwindigkeiten von 5 wenig löslichen Gasen bei Windgeschwindigkeiten zwischen u10=1.2 m/s und 67 m/s gemessen. Zwei verschiedene Gasanalyse-Methoden, die FT-IR- und die UV-Spektroskopie wurden benutzt. Desweiteren wurde eine Methode zur parallelen Messung der Gastransfergeschwindigkeit und der Löslichkeit entwickelt. Die schnelle ’Controlled Leakage’ Methode wurde als nich präzise genug zur Messung des Schmidtzahlexponenten und von Gastransfergeschwindigkeiten im Aeolotron nachgewiesen. Die gemessenen Gastransfergeschwindigkeiten liegen zwischen 0.5 cm/h und 1100 cm/h und überspannen damit einen Bereich von mehr als 3 Größenordnungen. Bei niedrigen Windgeschwindigkeiten, die im Heidelberger Aeolotron gemessen wurden, konnte der Umschlag des Schmidtzahlexponenten von 2/3 bei einer glatten auf 1/2 bei einer rauhen Wasseroberfläche nachgewiesen werden. Ein Oberflächenfilm, der die Entstehung von Wellen behindert, wurde in 3 der 7 Experimente eingesetzt. Der Umschlag des Schmidtzahlexponenten erstreckt sich über einen weiten Bereich von Windgeschwindigkeiten bei allen Oberflächenbedingungen, wobei der Mittelpunkt bei u10=4.5 m/s bei sauberer und bei 9 m/s bei filmbedeckter Wasseroberfläche liegt. Es wurde nachgewiesen, dass die mittlere quadratische Neigung zur Beschreibung des Umschlags des Schmidtzahlexponenten geeignet ist. Das Facettenmodell konnte die gemessenen Gastransfergeschwindigkeiten nicht reproduzieren. Die Transfergeschwindigkeiten skalieren schlecht mit dem üblicherweise benutzten Parameter Windgeschwindigkeit u10. Die Korrelation zwischen der mittleren quadratischen Neigung der Wasseroberfläche und den Transfergeschwindigkeiten ist sehr gut, ausgenommen bei den niedigsten mittleren quadratischen Neigungen. Im Hochgeschwindigkeits-Wind-Wellen-Kanal in Kyoto wurde der Einfluss von brechenden Wellen und Blaseneinschlag auf die Transfergeschwindigkeit untersucht. Die gemessenen Transfergeschwindigkeiten wurden in einen wellenbedingten und einen blasen- und wellenbrechenbedingten Anteil aufgespaltet. Die gemessenen Gastransfergschwindigkeiten liegen bis zu 350 % über denen, die bei welliger Oberfläche bei der höchsten Windgeschwindigkeit erwartet werden. Drei empirische Parameterisierungen wurden am blaseninduzierten Anteil getestet, zwei davon erfolgreich.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Jähne, Prof. Dr. Bernd
Date of thesis defense: 23 January 2013
Date Deposited: 01 Feb 2013 08:29
Date: 23 January 2013
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Gasaustausch, Wind-Wellen-Kanal, FT-IR-Spektroskopie, UV-Spektroskopie
Uncontrolled Keywords: Schmidtzahlabhängigkeit, Schmidtzahlexponent, Oberflächenfilm, Wellenbrechen, Schmidt number dependency, Schmidt number exponent, surfactant, wave breaking
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