Mischungsvorgänge im Meerwasser durch aktive Schwimmer

• Antragsteller: Dr.-Ing. Thomas Köllner
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 328915886

Die Vermischung von Meerwasser durch die tägliche Vertikalwanderung von Zooplankton entwickelte sich im Laufe der letzten Jahre zu einem aktiven Forschungsfeld im Bereich der Ozeanographie und der Biophysik. Neben dem Wunsch, Prozesse in der Biosphäre zu verstehen, stammt dieses Interesse von den möglichen Auswirkungen der schwimmenden Mikroorganismen auf die Vermischung von Meerwasser auf Skalen, welche entscheidend für die globale Ozeanzirkulation sind. Aktuelle Theorien über biologisch induzierte Mischungsvorgänge (biomixing) basieren meist auf einfachen Skalierungsansätzen oder Schließungsmodellen, welche kaum Effekte aus einer kollektiven Migration von großen Schwärmen Zooplanktons berücksichtigen.In diesem Projekt werden wir die vertikale Migration von Schwimmern untersuchen, die mit der sie umgebenden Wassersäule in Wechselwirkung treten. Dafür soll ein Modell für die vertikale Wanderung der Schwimmer durch Kooperation mit einer experimentellen Gruppe und auf Basis von publizierten experimentellen Beobachtungen entwickelt werden. Darauf aufbauend werden hochaufgelöste, dreidimensionale numerische Simulationen durchgeführt, welche die individuelle Bewegung von einer Vielzahl von aktiven Schwimmern berücksichtigen. Ein erstes Ziel ist es, die Bedingungen für die Bildung von großskaligen Strömungsstrukturen aufzudecken, die für die kollektive vertikale Migration von Garnelen beobachtet wurden. Weiterhin wird die Mischwirkung der Schwimmer auf Temperatur und Salzgehalt im stabil geschichteten Meerwasser simuliert. Unsere numerischen Ergebnisse dienen dann als Grundlage für vereinfachte Transportmodelle (ohne die Auflösung einzelner Schwimmer) des Temperatur- und Salzgehalts im Meereswasser.Ein zweites Ziel ist es, die Auswirkungen der aktiven Schwimmer auf die Entwicklung von Salzfingern zu klären, welche einen wichtigen Faktor in den oberen Wasserschichten darstellen können. Salzfinger sind eine bestimmte Art von doppelt-diffusiver Konvektion, d.h. ihre Entstehung hängt entscheidend von dem Verhältnis der Diffusionskoeffizienten von Temperatur und Salzgehalt (Lewis-Zahl) ab. Dieses Verhältnis wird jedoch durch aufgeprägte Strömungen der aktiven Schwimmer beeinflusst. Praktisch treten Salzfinger in oberflächennahem Wasser auf welches salzhaltiger und wärmer ist als tiefere Schichten. Wir werden solch eine Konfiguration durch die Lösung der Transportgleichung für Temperatur, Salzgehalt und Impuls für Meerwasser einschließlich Schwimmer untersuchen und damit Bedingungen für das Auftreten von Salzfingern ableiten.Ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Zooplanktonmigration und Mischungsvorgängen ist für die ozeanische Dynamik auf kleinen wie auch großen Skalen bedeutsam. Damit wird auch ein Beitrag zur Verbesserung gekoppelter Atmosphären-Ozean-Modelle geleistet.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Eckart H. Meiburg