Ozeanzirkulation und Klimadynamik

Tracer Release Experiment

Das Tracer Release Experiment im offenen Ozean ist eine präzise Methode, um die vertikale Vermischung und horizontale Dispersion im Ozean zu untersuchen. Das Experiment beginnt mit der Injektion einer chemischen Verbindung, die auch bei sehr starker Verdünnung und entsprechend niedrigen Konzentrationen nachweisbar ist. Der Tracer breitet sich mit der Zeit horizontal und vertikal aus. Das Verbreitungsgebiet des Tracers  wird während mehrerer Seereisen vermessen.
 
 Diapyknisch, d.h. quer zur Dichtefläche breitet sich der Tracer durch viele sporadische turbulente Vermischungsereignisse aus. Die mittlere Schichtdicke, über die der Tracer sich verteilt hat, lässt sich gut bestimmen. Sie ist ein Maß für das räumliche und zeitliche Integral über die vertikale Vermischungsrate. Im offenen Ozean sind typische vertikale Vermischungsraten von 10-5 m s-1 mit einer Genauigkeit von einigen Prozent abgeschätzt worden.
 
 Innerhalb einer Dichtefläche hängt die Ausbreitung des Tracers wesentlich von der mittleren Ozeanzirkulation und der turbulenten Vermischung durch mesoskalige Wirbel ab. Daher können  horizontale Dispersion und Advektion aus der horizontalen Ausdehnung und Verschiebung des Tracers bestimmt werden. Die erreichbare Genauigkeit der horizontalen Vermischungsraten innerhalb einer Dichteschicht (isopyknisch) ist dabei viel geringer als die der vertikalen turbulenten Vermischung. Typische isopyknische Dispersionsraten im offenen Ozean betragen 102 bis 103m s-1 mit einer Unsicherheit von mehreren Größenordnungen.


GUTRE:

In den Jahren 2008-2010 wurde im tropischen Nordostatlantik ein Tracer Relese Experiment durchgeführt mit dem Ziel, die Ventilationswege der Sauerstoffminimum-Zone zu quantifizieren. Das Guinea Upwelling Tracer Release-Experiment (GUTRE) begann mit der Injektion des Tracers, CF3SF5, auf einer Dichtefläche von σθ = 26.88, was in etwa 350 m Tiefe entspricht. Die horizontale und vertikale Ausbreitung des Tracers wurde während dreier Seereisen vermessen, durchgeführt 7, 20 und 30 Monate nach dem Ausbringen. Nach 30 Monaten hat sich der Tracer über 200 m in der Vertikalen und mehr als 1000 km in der Horizontalen ausgebreitet. Mit diesem Experiment wurde eine vertikale Vermischungsrate von (1.2 ± 0.1) ∙ 10-5 m s-1 bestimmt.

 

CF3SF5

Trifluormethyl-Schwefel-Pentafluorid (CF3SF5) ist schon in niedrigsten Konzentrationen ab 10-16 mol kg-1 in Seewasserproben nachweisbar. Dazu werden Gaschromatographen mit Elektroneneinfangdetektor verwendet. Übliche Spurenmetalle im Ozean, wie Eisen oder Zink können in Konzentrationen von 10-9 mol kg-1, Sauerstoff in 10-6 mol kg-1 gemessen. Die Verbindung CF3SF5 ist praktisch inert in der Meeresumwelt, dh es ist chemisch konservativ und es ist unschädlich für marine Organismen. Die einzige bekannte Umweltauswirkung des Stoffes ist, dass es ein schwaches Treibhausgas ist.

 

OTIS: moderner Unterwasserschlitten 

Wie funktioniert das OTIS? Die Injektion des Markers wird durchgeführt, indem mehrere Tracer-Streifen ausgelegt werden, während das OTIS als ein Unterwasserschlitten mehrere Stunden lang hinter einem Schiff bei einer Geschwindigkeit von ein bis zwei Knoten geschleppt wird. Das OTIS hat ein eingebautes CTD-System, das Salzgehalt und Temperatur (und daher Dichte) des umgebenden Wassers überwacht. Diese Information wird an ein Steuersystem auf dem Schiff weitergeleitet, das automatisch die Schleppwinde derartig kontrolliert, dass der Schlitten im angestrebten Dichtebereich verbleibt. Das Ausbringen des Markers ist aus mehreren Gründen technisch sehr anspruchsvoll: Das Material muss in einem sehr engen Tiefenbereich (zwei bis drei Meter) freigesetzt werden. Ferner muss es in Form sehr kleiner Tröpfchen injiziert werden, weil zu große Tropfen sich nicht schnell genug im Wasser lösen und zum Meeresboden absinken würden.

TS-Diagramm während des Tracer Release bei σθ=26.881 ± 0.005 kg m-3. Reguläre CTD-Casts (dünne graue Linien) wurden zur Kalibration der auf OTIS installierten Salzgehaltssensoren verwendet.
Horizontale Tracer-Verteilung während dreier Messkampagnen: a) und b) im November 2008 (7 Monate nach Tracer Release) c) im Dezember 2009 (20 Monate nach Traqcer Release) d) im Oktober--November 2010 (30 Monate nach Tracer Release). Die farbigen Konturlinien stellen interpolierte tiefenintegrierte Tracerkonzentrationen dar. Die Quadrate markieren die Positionen der Messpunkte. Die blaue Raute bei 8°N, 23°W markeirt die Ausbringposition.
Normierte mittlere vertikale Tracerprofile. Schattierte Bereiche stellen die Variabilität in den Formen der einzelnen Tracerprofile und die Detektionsgranze dar.
OTIS an Bord der Poseidon (Foto: M. Müller, GEOMAR)