Forschung
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Modellbild einer sehr klaren Schichtung im Wasser.-Bild: HZG-

Turbulenz, Vermischung, und Transporte im Schelfmeer

Obwohl Ozeanturbulenz eine sehr kleine Bewegung im Ozean in der Größenordnung von einem Zentimeter ist, ist sie doch eine entscheidende Komponente von Energie- und Impulsbudgets und wichtigen Messgrößen wie Wärme und Nährstoffe auf den großen Skalen. Sie ist der verantwortliche Prozess, die Vermischung der Ozeane voranzutreiben, welche wiederum ein Schlüsselelement bei der Bestimmung der vertikalen Transportraten in den Ozeanen ist.
Die oft starke vertikale Schichtung der Ozeane behindert vertikale Bewegungen und Transporte, welche durch kleinräumige turbulente Vermischung erreicht wird. Vermischung übt Einfluss auf viele Prozesse aus, die für Küsten- und Schelfmeere von größter Bedeutung sind; von der Versorgung der sonnenbeschienenen Oberflächenschicht mit Nährstoffen über die Versorgung der tiefen Ostsee mit sauerstoffreichem Wasser bis hin zum ozeanischen Wärmefluss zum arktischen Meereis.

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Für nummerische Simulationen werden Hochleistungscomputercluster genutzt. -Bild: HZG-

Jüngste Fortschritte beim Verständnis von turbulenten Vermischungs- und Transportprozessen in Küstenmeeren sind durch neuartige Mess- und Simulationstechniken möglich geworden. Diese Fortschritte in der Beobachtungstechnologie wurden parallel zu Fortschritten bei der Leistungsfähigkeit von Computern gemacht, was ein starkes Zusammenspiel zwischen in situ Feldbeobachtungen und numerischen Simulationen ermöglicht.
Der Einsatz von Hochleistungscomputerclustern zur Simulation von Meeresturbulenzen mit DNS (Direct Numerical Simulations) hat zu einer Weiterentwicklung der Wärmetransportgesetze bei doppelter diffuser Konvektion geführt, die zu einem besseren Verständnis des Energiebudgets führt.
Obwohl die Simulationen normalerweise auf turbulente Ereignisse mit unrealistisch geringer Energie beschränkt sind, die es so in den Ozeanen nicht gibt, sind sie dennoch in den Bereich geophysikalischer Turbulenzsimulationen übergegangen, die die Bedingungen in den Ozeanen darstellen.

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Glider-Messungen der Nordsee-Schichtung im Sommer 2014. Das obere Bild zeigt die konservative Temperatur in Tiefe und Zeit. Die Pycnocline-Region wird durch die hell gefärbten Linien angezeigt. Das untere Bild zeigt die Dicke der Thermokline mit zwei verschiedenen Methoden (b1, b2) und der Gesamttemperaturdifferenz ΔT. Die ungefähren Zeiten von Sturm Bertha werden durch den dunklen Balken oben auf dem Schaubild angezeigt. -Bild: Carpenter JR, Merckelbach L, Callies U, Clark S, Gaslikova L, Baschek B (2016) Potential Impacts of Offshore Wind Farms on North Sea Stratification. PLoS ONE 11(8): e0160830. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0160830. CC BY 4.0-

Dies ermöglichte einen direkten und erfolgreichen Vergleich mit In-situ-Turbulenzmessungen. Diese Ergebnisse werden verwendet, um die Wärmestromdichte des Arktischen Ozeans aufgrund der doppelt diffusen Konvektion zu verstehen und einzuschränken. Darüber hinaus wird derzeit eine Untersuchung durchgeführt, um diese Prozesse in der Ostsee zu identifizieren und zu quantifizieren. Die Glider wurden hier zum ersten Mal bei der Entdeckung doppeltdiffusiver Stufen eingesetzt.

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Ein Unterwasser-Glider, ausgerüstet mit Turbulenz-Sensoren. -Bild: HZG/Raimo Kopetzky-

Dieser kombinierte Ansatz von Simulation und Beobachtung wird derzeit angewendet, um die Einflüsse der Entwicklung von Offshore-Windparks (OWF) auf die Nordseeschichtung zu verstehen. Vorläufige Schätzungen der turbulenten Vermischung von OWFs deuten darauf hin, dass sie bei großflächiger Errichtung von OWFs in der Nordsee einen signifikanten Einfluss auf die Schichtung haben könnten.

Darüber hinaus deuten die Glider-Messungen der Turbulenzniveaus in der Nordsee darauf hin, dass OWFs zu einer signifikant erhöhten Turbulenz in der Region der geschichteten Thermokline beitragen könnten. Vor diesem Hintergrund werden gegenwärtig In-situ-Messungen der geschichteten turbulenten Strömung hinter den Fundamenten von Windkraftanlagen mit Instrumenten-Schleppketten sowie Large-Eddy-Simulationen durchgeführt.


Hieronymus, M. & J.R. Carpenter: Energy and variance budgets of a diffusive staircase with implications for heat flux scaling. Journal of Physical Oceanography, 46, 2553-2569, 2016, doi:10.1175/JPO-D-15-0155.1.

Sommer, T., Carpenter, J.R., Wuest, A.: Double-diffusive interfaces in Lake Kivu reproduced by direct numerical simulations,Geophysical Research Letters, 41, 2014 doi:10.1002/2014GL060716.

Shibley, N., Timmermans, M.-L., Carpenter, J.R., Toole, J.: Spatial variability of the Arctic Ocean's doublediffusive staircase. Journal of Geophysical Research - Oceans, 122, 2017, doi:10.1002/2016JC012419.

Flöter, J., van Beusekom, J., Auch, D., Callies, U., Carpenter, J.R., et al.: Pelagic effects of offshore wind farm foundations in the stratified North Sea. Progress in Oceanography, 156, 154-173, 2017, doi:10.1016/j.pocean.2017.07.003.

Carpenter, J.R., Merckelbach, L., Callies, U., Clark, S., Gaslikova L., Baschek, B.: Potential impacts of offshore wind farms on North Sea stratification. PLoS ONE, 11(8), e0160830, 2016,
doi:10.1371/journal.pone.0160830.

Schultze, L. K. P., Merckelbach, L. M. and Carpenter, J. R., Turbulence and Mixing in a Shallow Shelf Sea From Underwater Gliders. J. Geophys. Res. Oceans. Accepted Author Manuscript,
doi:10.1002/2017JC012872.