Ozeanzirkulation und Klimadynamik

Vermischung im Ozean

Kleinskalige Vermischungsprozesse sind ein integraler Bestandteil der Ozeanzirkulation und des ozeanischen Klimas. Sie transportieren Wärme, Salz und andere gelöste Stoffe zwischen Wasserschichten unterschiedlicher Dichte. Dieser diapyknische Wärmetransport ist ein Hauptantrieb der meridionalen Umwälzzirkulation und ein wichtiger Mechanismus bei der Wärmeaufnahme des Ozeans. Vermischungsprozesse beeinflussen auch die Aufnahme und Abgabe von anthropogenen Treibhausgasen wie beispielsweise CO2, und spielen bei biogeochemischen Stoffkreisläufen eine wichtige Rolle. Untersuchungen in der physikalischen Ozeanographie dienen dem genaueren Verständnis der Vermischungsprozesse im Ozean. Daraus resultierende verbesserte Parametrisierungen dieser Prozesse bilden eine Grundlage für die Entwicklung von genaueren Ozean- und Klimamodellen.

Die Stärke von Vermischungsprozessen variiert im Ozean über mehrere Größenordnungen. Stark erhöhte Vermischungsraten treten an den Berandungen der Ozeane auf, an denen die vom Wind eingetragene Energie und die Energie von Gezeiten vornehmlich dissipiert wird. Vermischungs- „Hot spots“ stellen aber auch Mittelozeanische Rücken und Tiefseeberge, der Südliche Ozean und der obere äquatoriale Ozean dar.

Das GEOMAR verfügt über umfassende Infrastruktur für die Beobachtungen von Vermischungsprozessen im Ozean. Die räumliche und zeitliche Variabilität dieser Prozesse kann durch sehr schnelle Sensoren auf Mikrostruktursonden, die auch auf Gleitern, und anderen autonomen Unterwasserfahrzeugen (AUV's) eingesetzt werden können, experimentell bestimmt werden. Sehr genaue integrale Messungen von der Stärke der Vermischungsprozesse können durch Tracer Release Experimente erhalten werden.
  

Ausgewählte Ergebnisse:

a) Zonale Strömungen am Äquator entlang von 10°W. Gezeigt ist der ostwärts setzende Äquatoriale Unterstrom (EUC) und der westwärts gerichtete zentrale und nördliche Südäquatorialstrom (cSEC und nSEC). b) Varianz der Stromscherung (S2=(du/dz)2+(dv/dz)2) und c) Dissipationrate der turbulenten kinetischen Energie als Maß für die Stärke der Vermischungsprozesse. Die schwarzweiße Linie kennzeichnet die Tiefe der Oberflächenschicht des Ozeans (aus Hummels et al., 2013).
  • Vermischungsprozesse und Oberflächentemperatur im äquatorialen Atlantik
    Der Ozean übt einen starken Einfluss auf die Klimavariabilität im tropischen Atlantik aus. Dieser zeigt sich am deutlichsten durch eine enge Verknüpfung von zwischenjährlichen Schwankungen der Meeresoberflächentemperatur in den östlichen Auftriebsgebieten und den Schwankungen der Niederschläge im tropischen Atlantik. Untersuchungen in den oberen Schichten des äquatorialen Atlantiks haben gezeigt, dass der durch turbulente Vermischungsprozesse hervorgerufene Wärmefluss ein Schlüsselprozess für die Festlegung der Oberflächentemperatur in der äquatorialen Auftriebsregion darstellt (Hummels et al., 2013). Die dort gemessenen hohen Vermischungsraten führen besonders in den Sommermonaten (Juni-September) zu einem stark erhöhten Wärmetransport von der Oberfläche in die tieferen Schichten des Ozeans, und tragen in erheblichem Maße zur saisonalen Ausbildung des äquatorialen Auftriebsgebiets im Sommer bei. Verantwortlich für die hohe Vermischung sind Instabilitäten der sich vertikal stark ändernden zonalen Strömungen am Äquator.
Sauerstoffbudget der Sauerstoffminimumzone vor Nordwestafrika. Die grüne Linie kennzeichnet die Sauerstoffzehrung, die schwarze Linie die durch Vermischung hervorgerufene Sauerstoffversorgung und die rote Linie die durch laterale Prozesse hervorgerufene Sauerstoffversorgung (aus Fischer et al., 2013).
  • Sauerstoffversorgung von Sauerstoffminimumzonen
    Wie wird der tropische Ozean mit lebenswichtigem Sauerstoff versorgt ? Schwache Strömungen in den Auftriebsgebieten der östlichen tropischen Ozeane und eine hohe Primärproduktion führen zur Ausbildung von sauerstoffarmen Regionen, beispielsweise vor Nordwestafrika
    . Für ein besseres Verständnis dieser Sauerstoffminimumzonen wurden Untersuchungen zur Rolle der Vermischung mittels eines Tracer Release Experiments (GUTRE) und Mikrostrukturmessungen  durchgeführt. Damit gelang es erstmals, den durch turbulente Vermischung hervorgerufenen Sauerstofftransport in die Sauerstoffminimumzonen zu quantifizieren. Es konnte zeigt werden, dass etwa ein Drittel der Sauerstoffzufuhr in die Sauerstoffminimumzone durch turbulente Vermischungsprozesse geleistet wird (Banyte et al., 2012; Fischer et al., 2013). Allerdings wird der Sauerstoff nicht direkt von der Oberfläche in die Tiefe gemischt. Strömungen in Tiefen oberhalb der Sauerstoffminimumzone führen sauerstoffreiches Wasser aus dem westlichen tropischen Atlantik in das Gebiet heran, welches der turbulenten Vermischung als Quelle zur Verfügung steht.
        
Verteilung der mittleren Dissipationsrate der turbulenten kinetischen Energie an der Schwelle im Zentralgraben. Der Tiefenstrom setzt von links nach rechts. Erhöhte Turbulent tritt stromabwärts der Schwelle auf (aus Tippenhauer et al., 2015).
  • Vermischung im Zentralgraben des Mittelatlantischen Rückens
    Im tiefen Ozean sind Vermischungsraten über variabler Topographie, wie z.B. über Mittelozeanische Rücken, stark erhöht im Vergleich zu Vermischungsraten über Tiefseeebenen. Um die beteiligten Vermischungsprozesse besser zu verstehen wurde eine Messkampagne im Zentralgraben des Mittelatlantischen Rückens (Lucky Strike Segment) bei 37°N durchgeführt. Dabei wurde zum ersten Mal ein tiefgehendes AUV 
    mit einer Mikrostruktursonde bestückt, um Turbulenzmessungen in großen Tiefen durchzuführen. Im Zentralgraben wurde eine schwache hangaufwärts gerichtete Strömung vorgefunden, die mit knapp 10 cm/s nach Norden setzte. Erhöhte Vermischungsraten konnten stromabwärts von einer Schwelle im Graben wiederholt gemessen werden (Tippenhauer et al., 2015). Zusammen mit der Auslenkung der Dichteflächen über der Schwelle konnte ein hydraulischer Sprung an der Schwelle nachgewiesen werden, der auch zu den beobachteten erhöhten Vermischungsraten stromabwärts beiträgt.

Literatur:

Banyte, D., T. Tanhua, M. Visbeck, D. W. R. Wallace, J. Karstensen, G. Krahmann, A. Schneider, L. Stramma and M. Dengler (2012), Diapycnal diffusivity at the upper boundary of the tropical North Atlantic oxygen minimum zone, J. Geophys. Res., 117, C09016, doi: 10.1029/2011JC007762.

Fischer, T., D. Banyte, P. Brandt, M. Dengler, G. Krahmann, T. Tanhua, and M. Visbeck (2013) Diapycnal oxygen supply to the tropical North Atlantic oxygen minimum zone, Biogeosciences, 10, pp. 5079-5093, doi: 10.5194/bg-10-5079-2013.

Hummels, R., M. Dengler, and B. Bourlés (2013), Seasonal and regional variability of upper ocean diapycnal heat flux in the Atlantic Cold Tongue, Prog. Oceanogr., 111, 52-74, doi: 10.1016/j.pocean.2012.11.001.

Tippenhauer, S., M. Dengler, T. Fischer, and T. Kanzow (2015) Turbulence and finestructure in a deep ocean channel with sill overflow on the Mid-Atlantic Ridge, Deep-Sea Res. I, 99,10-22, doi: 10.1016/j.dsr.2015.01.001