UmweltphysikKlimarelevante Austauschprozesse zwischen Atmosphäre und Meer

Pressemitteilung Nr. 8/2021
29. Januar 2021

Mit neuen bildgebenden Verfahren misst der Umweltphysiker Bernd Jähne grundlegende Mechanismen

Einen neuen Ansatz zur Erforschung der Prozesse, die beim Austausch klimarelevanter Gase und flüchtiger Stoffe zwischen Atmosphäre und Meer ablaufen, verfolgt der Umweltphysiker Prof. Dr. Bernd Jähne von der Universität Heidelberg. Der Wissenschaftler wird dazu zwei bildgebende Messverfahren für Experimente im Heidelberger Aeolotron, einem Wind-Wellen-Kanal, nutzen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert das Projekt im Rahmen der Reinhart-Koselleck-Programmlinie. Über einen Zeitraum von fünf Jahren stehen dafür Mittel in Höhe von rund 1,2 Millionen Euro zur Verfügung. Die Forschungsarbeiten am Institut für Umweltphysik werden in Zusammenarbeit mit dem am Interdisziplinären Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen (IWR) angesiedelten Heidelberg Collaboratory for Image Processing durchgeführt.

Nach den Worten von Prof. Jähne sind die Mechanismen kleinskaliger Austauschprozesse an der Meeresoberfläche bis heute nicht ausreichend gut verstanden, trotz ihrer Bedeutung für die globalen Energie- und Stoffkreisläufe. In Bezug auf den Klimawandel spielt dabei insbesondere eine wichtige Rolle, wie Kohlendioxid von der Atmosphäre in das Meer transportiert wird. „Feldmessungen konnten bisher nicht viel zum Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen beitragen. Es fehlen vor allem verlässliche Ergebnisse für niedrige Windgeschwindigkeiten. Labormessungen in linearen Wind-Wellen-Kanälen haben den Nachteil, dass die Form der vom Wind erzeugten Wellen auf der Wasseroberfläche von der auf dem offenen Meer abweicht“, betont Bernd Jähne, der Seniorprofessor am IWR ist und eine Forschungsgruppe am Institut für Umweltphysik leitet.

Mithilfe des Heidelberger Aeolotron am Institut für Umweltphysik – einer ringförmigen Wind-Wellen-Anlage mit einem Durchmesser von zehn Metern – wollen die Wissenschaftler die ozeanischen Bedingungen bei niedrigen und mittleren Windgeschwindigkeiten nun wesentlich realistischer simulieren. Dabei kommen zwei bildgebende Verfahren zum Einsatz: Mit Thermographie soll die Wärmeaustauschrate gemessen werden. Eine neue opto-chemische Technik dient dazu, die weniger als ein Millimeter dicke Massengrenzschicht an der Wasseroberfläche sichtbar zu machen, um die lokale Gasaustauschrate zu bestimmen. „Durch den Einsatz dieser schnellen Verfahren können wir die Prozesse, die den Gas- und Wärmeaustausch steuern, erstmals bei wachsenden und abklingenden Wellenfeldern untersuchen“, betont Prof. Jähne. Bei niedrigen Windgeschwindigkeiten soll zugleich der bekannte aber wenig quantifizierte Einfluss von oberflächenaktiven Stoffen, die als Abfallprodukte im Stoffwechsel von Meeresorganismen entstehen und auch winderzeugte Wellen dämpfen, auf den Gastransfer ermittelt werden. „Mit unseren Messungen wird eine physikalisch fundierte Beschreibung der Mechanismen des Gasaustausches unter ozeanischen Bedingungen möglich sein“, so der Heidelberger Umweltphysiker.

Das Heidelberger Aeolotron

In einer zweiten Phase des Projekts „Quantifizierung der Mechanismen des Gasaustauschs zwischen Ozean und Atmosphäre – Brückenschlag zwischen Feld und Labor durch bildgebende Messungen“ soll eine Technik erprobt werden, mit der sich der Gas- und Wärmeaustausch direkt im Ozean in weniger als einer Minute und mit Auflösungen im Meterbereich messen lässt. Das einfache Forschungsinstrument besteht aus einer preisgünstigen Wärmebildkamera und soll die Geschwindigkeit des Austauschs ebenso wie die vorliegenden Mechanismen aus den kleinskaligen Temperaturmustern an der Wasseroberfläche bestimmen, wie sie durch den natürlichen Wärmetransport über die Meeresoberfläche entstehen. „So können wir gleichzeitig prüfen, ob wir mit den Labormessungen alle für den Ozean relevanten Mechanismen erfasst haben“, sagt Prof. Jähne. Diese Messungen werden in Zusammenarbeit mit dem GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel sowie dem Institut für Chemie und Biologie des Meeres an der Universität Oldenburg durchgeführt.

Das Reinhart-Koselleck-Programm der Deutschen Forschungsgemeinschaft bietet Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern die Möglichkeit, in hohem Maße innovative oder im positiven Sinne risikoreiche Projekte durchzuführen.