Ozeanzirkulation und Klimadynamik

Mikrostruktursonde

Abb.1: Aussetzen einer Mikrostruktursonde

Generelle System Beschreibung

Das Mikrostruktur Meß-System MSS90 (siehe Abb.1) ist ein Instrument zur simultanen Messung von Mikrostrukturen und physikalischen Parametern in Seewasser. Es ist darauf ausgelegt, ein vertikales Profil der oberen 400 m zu erstellen. Die Sonde arbeitet mit einer sehr hohen Übertragungsrate (1024 Hz), um die vertikalen Skalen der turbulenten Dissipation im Ozean auflösen zu können.
Die Sonde ist ausgerüstet mit zwei Scherungssensoren (Airfoil), einem hochauflösenden Temperatursensor (Microthermistor), einem Beschleunigungssensor, sowie mit Standard CTD Sensoren für präzise Messungen von Temperatur, Leitfähigkeit und Druck, die mit einer Frequenz von 24 Hz arbeiten.
Die freifallende Sonde ist auf eine Sinkgeschwindigkeit von 0.6 m/s  optimiert. Die Sinkgeschwindigkeit wird durch eine geeignete Wahl von Gewichts- und Auftriebselementen am Gehäuse der Sonde variiert  und an die Wassermasseneigenschaften angepasst.
Um störende, interne Vibrationen des Gehäuses selbst zu kontrollieren, die mit der Scherungsmessungen interferieren, misst ein Vibrationssensor die horizontale Beschleunigung der Sonde. Wichtig ist auch, dass die schnell reagierenden T-Sensoren, sowie die Scherungssensoren an der Spitze der Sonde angebracht sind, um das Profil ungestört zu erfassen.
Das freifallende Sensorsystem ist mittels eines Kevlarkabel, das ein flexibles Datenkabel umgibt, mit einer Winde an Bord des Schiffes verbunden. Störungen durch Vibration des Kabels oder durch Schiffsbewegung müssen weitestgehend ausgeschlossen werden. Das wird dadurch erreicht, dass das Kabel mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit ins Wasser gelassen wird, um Zugspannung auf dem Kabel, die die Messung beeinträchtigen, zu vermeiden. Zur Regulierung der Kabelgeschwindigkeit wird eine speziell entworfene Winde von der Firma ISW Wassermesstechnik benutzt.
Über das Kabel werden die gemessenen Daten zunächst an eine Bordeinheit weiter gegeben und von dort aus an einen Aufzeichnungsrechner, auf dem die eingehenden Daten während der Messung gespeichert werden.

   

Turbulente Dissipationsmessung

Die Dissipationsrate von kinetischer Energie ist ein wesentlicher Parameter um das Maß an Turbulenz und die daraus resultierenden Vermischungsprozesse im Ozean zu quantifizieren.
Die diapyknische Vermischung im Ozean wird durch molekulare Diffusion von Salz und Temperatur hervorgerufen. Turbulente Bewegungen verstärken die lokalen Gradienten dieser Größen und sind daher maßgeblich für die Größenordnung der vertikalen Vermischung im Ozean. Diese Bewegungen finden auf vertikalen Skalen in der Größenordnung von einigen Metern bis zu Millimetern statt. Dieser Skalenbereich wird auch als Mikrostruktur des Ozeans bezeichnet.
Es gibt noch diverse Lücken im Verständnis von Vermischungsprozessen und diapyknischen Transporten im Ozean, obwohl die Wichtigkeit dieser Prozessen für den mittleren Zustand und die Variabilität der Meeresoberflächentemperatur sowie die daraus resultierende Bedeutung für die Variabilität des Klimasystems unbestritten ist.
Mikrostrukturmessungen zu Bestimmung von diapyknischer Vermischung im Ozean werden seit etwa 30 Jahren eingesetzt. Allerdings ist die Datenabdeckung bislang noch sehr gering. Speziell im Atlantische Ozean ist die Anzahl an gemessenen Daten beschränkt.

Die Ziele einer verstärkten Messung der kleinskaligen Strukturen im Ozean sind:

  • Ein besseres Verständnis der räumliche und zeitliche Variabilität von diapyknischen Vermischung.
  • Verbesserung der Parametrisierung von Vermischungsprozessen durch die Beschreibung der ozeanischen und meteorologischen Bedingungen.
  • Die Abschätzung von diapyknischen Wärme- und Salzflüssen sowie biogeochemischen Tracerflüssen durch die Unterkante der Deckschicht zu verbessern.
  • Verbesserung der Parametrisierung von Vermischungsraten für numerische Modelle, die keine Vermischungsprozesse auflösen können.

Diese Ziele können erreicht werden durch die Analyse von Mikrostrukturdaten in Verbindung mit meteorologischen Datensätzen, Satelliten und Bojenbeobachtung sowie mit Ergebnissen von hochauflösenden numerischen Modellsimulationen.

   

Beschreibung der Sensoren

Frontansicht der MSS Sonde mit zwei Schersensoren PNS 98 (rote Spitzen), Beschleunigungssensor (zylindrischer Sensor) und Mikrostrukturtemperatursensor (hinter den beiden Scherungssensoren), sowie CTD-Einheit (näher am Gehäuse). Die Messsensoren sind von einem Schutzkorb umgeben.

Abb. 2: Mikorstruktursonde
Abb. 3: Scherungssensor

 
  

  • Scherungssensoren
    Airfoil Mikrostrukturscherungssensoren werden üblicherweise benutzt um kleinskalige Geschwindigkeitsfluktuationen im Ozean zu messen. Die PNS98 Sensoren arbeiten mit einer Messrate von 1024 Hz und besitzen eine Ansprechzeit von 4 ms Die Sensoren sind so ausgerichtet, dass die mittlere Geschwindigkeit die sich aus der Bewegung der Sonde ergibt, mit der Drehachse der axialsymmetrisch Airfoil zusammen fällt. Da die Sensoren nicht sensitiv für axiale Kräfte sind, erzeugen nur die transversalen Kräfte der turbulenten Geschwindigkeit Auftriebskraft an der Airfoil. Ein Piezokeramikelement, das mit dem Airfoil verbunden ist, spürt die Auftriebskraft und erzeugt eine Spannung, die proportional ist zu den instantanen transversalen Komponenten des Geschwindigkeitsfeldes. Der Airfoil hat eine Länge von 3.5 mm und einen Durchmesser von 3 mm. Die räumliche Auflösung des Scherungssensors ist etwa 5 mm. 
  • Beschleunigungssensor
    Der ACC98 Beschleunigungssensor misst die seitliche Beschleunigung der Mikrostruktursonde. Diese Messung ist als Kontrolle für die Daten, die die Scherungssensoren liefern, notwendig, weil die Scherungssensoren neben turbulente Geschwindigkeitsfluktuationen auch die Vibrationen der Sonde selbst registrieren. Der ACC98 Sensor ist ebenso wie die Schersensoren an der Spitze der Sonde angebracht, sodass er die Vibrationen an der Positionen der Schersensoren misst.

    Messprinzip
    Der ACC98 basiert auf der Messung von Auftriebskräften an einer trägen Masse. Die Kraft wird ähnlich wie bei den Scherungssensoren durch ein Piezoelement registriert und die instantane Beschleunigung als elektrische Spannung weitergegeben  
  • Schneller Temperatursensor
    An der MSS Sonde ist ein Sensor, der auf dem Mikrothermistor (NTC) FP07 (thermometrices, USA) basiert, zur Messung der Mikrostruktur der Temperatur angebracht. Auch dieser Sensor misst mit einer Frequenz von 1024 Hz und besitzt eine von der Sinkgeschwindigkeit abhängige Ansprechzeit, die bei etwa 4 ms liegt. 

   

Hintergrund und Datenanalyse

Scherungssensoren (des Airfoil Typs) zur Messung der Dissipationsraten wurden 1974 erstmals von Crawford und Osborn (1978) während des GARP global atmospheric research program) Atlantic tropical experiment (GATE) benutzt. Sie schlugen vor, dass man die Dissipationsrate einerseits durch die Varianz der kleinskaligen Scherung oder andererseits durch eine Anpassung des gemessenen Spektrums an das universelle Spektrum abschätzen kann. Mit kleineren Abweichungen sind diese beiden Methoden immer noch praktikabel.   

  

Gemessenes Scherungsspektrum (rot) und universales Nasmuth Spektrum (schwarze Linie). Der Effekt der endlichen Größe der Scherungssonde wird durch die schwarze gestrichelte Linie gezeigt.

Aus den gemessenen Daten können auch weitere Turbulenzparameter berechnet werden, wie z.B. Wirbeldiffusivität (κ), Thorpe Skalen und thermische Varianz Diffusionsraten (χ), sowie mittels der Cox-Methode die Coxzahl. Bei dieser Methode werden die Gradienten der Temperaturvariation ΔT’ (genauer [δT’/δz]2 ) mit den mittleren Gradienten [δT/δz]2 verglichen. Diese Verhältniszahl (die so genannte Coxzahl) ist ein Maß dafür, wie viel mal größer die turbulente Mischungsrate verglichen mit der molekularen Rate ist.