Messung und Simulation von kleinskaligen Austauschvorgängen an der Ozeanoberfläche mittels Thermographie

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung eines feldgängigen Messinstrumentes, welches erstmals eine Messung der Transfergeschwindigkeit des Gasaustausches auf der freien Meeresoberfläche mit einer zeitlichen Auflösung von wenigen Minuten ermöglichte. Unter Verwendung einer hochempfindlichen Infrarotkamera und eines CO₂-Infrarotlasers stand ein Mess-aufbau zur Verfuuml;gung, mit dessen Hilfe die Transportprozessebr /> an der freien Meeresoberflauml;che durch verschiedenartige passive und aktive Meverfahren untersucht werden konnten. Dieses Instrument wurde im Rahmen einer internationalen Mekampagne an Bord des Forschungsschiffes `New Horizon#39; entlang der kalifornischen Kuuml;ste im April/Mai 1995 eingesetzt. Zur quantitativen, thermographischen Bestimmung der Wasseroberflauml;chentemperatur mit einer absoluten Genauigkeit von weniger als 0.1K und einer relativen Genauigkeit von etwa 0.025K wurde eine neuartige Kalibriereinrichtung entwickelt. Neben der Realisierung des Meinstrumentes wurden umfangreiche numerische Simulationen der Vorgauml;nge innerhalb der thermischen Grenzschicht durchgefuuml;hrt. Es zeigte sich, dass die gemessenen Abklingkurven einer lokalen Erwauml;rmung der Wasseroberflauml;che durch den Laser von der numerischen Simulation vorhergesagt werden konnten. Gleichzeitig lieferte die Simulation ein Kriterium fuuml;r die Stabilitauml;t der Auswertung der gemessenen Abklingkurven. Daraus ergab sich, dass die Bestimmung der Transfergeschwindigkeit aus diesen Messungen auf dem Ozean nicht fuuml;r alle Messbedingungen mouml;glich ist. Dies liefert wichtige Anforderungen an die Entwicklung zukuuml;nftiger Messinstrumente. Ausgehend von einer statistischen Analyse der Temperaturverteilung auf der Meeresoberflauml;che wurden zwei weitere, von der Auswertung derbr /> Laser-Abklingkurven unabhauml;ngige Verfahren, zur Bestimmung der Transfergeschwindigkeit entwickelt. Damit konnten die Ergebnisse der Messungen gegenseitig verifiziert werden. Es zeigte sich, dass alle Methoden in sich konsistenteWerte der Gastransfergeschwindigkeit lieferten. Zusauml;tzliche Messungen im Windkanal der Delft Hydraulics, Niederlande, lieferten eine gute Uuml;bereinstimmung der Resultate der Labor- und Ozeanmessungen. Ein weiteres, wichtiges Resultat war die Tatsache, da sich die Ergebnisse der Messungen mit einem einfachen Oberflauml;chenerneuerungsmodell uuml;berraschend gut simulieren lassen. Unter Verwendung dieses Modelles konnte die Statistik der Erneuerungseffekte aus den Messdaten ermittelt werden./p>