Laborexperimente zum Wärme- und Gasaustausch an der Wasser-/Luftgrenzfläche angetrieben durch Oberflächenkühlung: innovative simultane Wärmebild- und optische Sauerstoffkonzentrationsmessungen

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Herlina Herlina
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 327259972

Für eine zuverlässige Modellierung des globalen Kohlenstoffkreislaufs (und somit des globalen Wärmehaushalts) sind detaillierte Kenntnisse über die Menge an Treibhausgasemission/-absorption durch die Wasseroberfläche erforderlich. Die meisten Modelle zur Vorhersage des Gastransferkoeffizienten an der Wasser-/Luftgrenzfläche beruhen nach wie vor hauptsächlich auf empirisch ermittelten Gleichungen, in denen nur die Windgeschwindigkeit als Parameter in Betracht gezogen wird, obwohl der Beitrag des temperaturbedingten Auftriebs zum Gesamttransfer signifikant ist, vor allem bei niedrig bis mittleren Windbedingungen. Um die Genauigkeit der Bestimmung des Gastransferkoeffizienten an der Grenzfläche zu verbessern, wird eine detaillierte Beschreibung des auftriebsgesteuerten Gasaustausches in tiefen Wasserkörpern benötigt. Da bei mäßig bis schwer löslichen Gasen (z.B. Kohlendioxid, Sauerstoff, Methan) der Stofftransfer in einer sehr dünnen Schicht an der Wasseroberfläche stattfindet, ist es eine besondere Herausforderung die Transportprozesse innerhalb dieser dünnen Schicht aufzulösen. Trotz fortgeschrittener Entwicklung der optischen Messtechnik, liegen keine Daten von simultanen Vermessungen der Temperatur- und Gaskonzentrationsfelder unter gut-kontrollierten Laborbedingungen vor. In diesem Projekt wird der Transferprozess von Wärme- und Gas, induziert durch Oberflächenkühlung bei gleichzeitigem Messen der dynamischen Verteilung von Temperatur- und Gaskonzentration (i) auf der Wasseroberfläche und (ii) in einem vertikalen Schnitt im Wasserkörper, untersucht. Hierzu wird ein komplettes lifetime-based laser induced fluorescence System, geeignet um die Sauerstoffdynamik auch innerhalb der dünnen Grenzschicht aufzulösen, entwickelt. Um die Dynamik der Wärmestrukturen an der Oberfläche zu erfassen, wird eine hochpräzise Infrarot Kamera eingesetzt. Für die Ermittlung der 2D Wärmestrukturen im Wasserkörper wird eine intensitätsbasiertes LIF-Thermometrie System angewendet. Neue erste synoptische Labordaten von Wärme- und Gaskonzentrationsfeldern unter konvektionsinduzierter Strömung im relativ tiefen Wasser können damit dargestellt werden. Die Korrelation zwischen thermal und gas Plumes wird bestimmt und deren geometrischen Merkmale sowohl an der Wasseroberfläche als auch im Wasserkörper ermittelt. Des Weiteren wird der Zusammenhang zwischen diesen Merkmalen und der Wärme- und Gasflüsse ermittelt. Eine Reihe von Messungen im Wasserkörper werden zur Bestimmung der Transfergeschwindigkeit (k) über eine große Bandbreite von Temperaturunterschieden zwischen Wasserkörper und Luft durchgeführt. Dies ermöglicht den Zusammenhang zwischen k und der Rayleighzahl des Wasserkörpers zu bestimmen und mit den k-Werten, die durch direkte Quantifizierung anhand der detaillierten simultanen Messungen ermittelt werden, zu vergleichen. Dazu, werden für ausgewählte Fälle PIV- Messungen durchgeführt, um Informationen zum overall Geschwindigkeitsfeld zur Verfügung zu stellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Kooperationspartner: Professor Dr. Andreas Lorke