D3 Strommessung

Thema

Die Messung von Meeresströmungen kombiniert zwei sehr unterschiedliche Methodengruppen: Euler-Methoden, die die Wassergeschwindigkeit an einem festen Punkt im Raum messen, während das Wasser vorbeiströmt, und Lagrange-Methoden, die die Bewegung eines einzelnen Wasserpartikels verfolgen. Genau diese Kombination zweier gegensätzlicher Perspektiven ermöglicht es den im Folgenden beschriebenen Instrumenten, sowohl die feste Struktur der Strömungen als auch den tatsächlichen Weg des Wassers zu rekonstruieren.

Das Standardinstrument zur Messung von Strömungsprofilen ist der akustische Doppler-Strömungsprofiler: Er sendet Schallimpulse in vier auf das Wasser gerichteten Strahlen aus und misst die Doppler-Frequenzverschiebung, die durch die Rückstreuung des Signals an suspendierten Partikeln entsteht. Diese Doppler-Verschiebung ermöglicht es, die drei Komponenten der Wassergeschwindigkeit mit einer vertikalen Auflösung zwischen zwei und zehn Metern und einer Genauigkeit zwischen einem und fünf Zentimetern pro Sekunde zu bestimmen.

Hochfrequentes Küstenradar misst Strömungen hingegen nicht in der Tiefe, sondern nur in den ersten drei Metern unter der Wasseroberfläche. Dafür deckt es jedoch deutlich größere Gebiete von 100 bis 200 Kilometern ab, mit einer Auflösung von drei bis sechs Kilometern und einer stündlichen Aktualisierungsrate. Dieses Radar nutzt die Dopplerverschiebung, die das Radiosignal bei der Rückstreuung durch die vom Wind auf dem Wasser erzeugten Kapillarwellen erfährt – ein Phänomen, das als Bragg-Resonanz bekannt ist. Dank dieser Resonanz können ganze Netzwerke dieser Radargeräte Küstenlinien in Europa und den Vereinigten Staaten in Echtzeit erfassen. Die geotrophische Strömungsableitung, basierend auf von Satelliten erfassten Meeresspiegelmessungen, bietet die größte Abdeckung: Sie liefert die geotrophischen Oberflächenströmungen des gesamten Weltozeans – dieselbe geostrophische Beziehung, die bereits zur Berechnung dieser Strömungen aus Satellitenaltimetrie verwendet wurde. Diese globale Abdeckung hat jedoch ihren Preis: Ihre Auflösung erreicht kaum hundert Kilometer und berücksichtigt nicht die Ekman-ageostrophische Komponente – jenen Teil der Strömung, der direkt vom Wind transportiert wird und den die geostrophische Beziehung naturgemäß nicht erfassen kann. Das bedeutet, dass diese Methode allein die Strömung niemals vollständig erfassen kann. Neutral schwebende Lagrange-Driftbojen hingegen bieten eine völlig andere Perspektive: Sie driften in einer vordefinierten Drucktiefe und folgen der Lagrange-Strömung im Ozean selbst, anstatt nahe der Oberfläche zu verbleiben. Um ihre Position jederzeit zu bestimmen, senden oder empfangen diese Bojen akustische Signale von festen Quellen. Dabei nutzen sie einen natürlichen Kanal in der Tiefsee, in dem die Schallgeschwindigkeit minimal ist und sich Schallwellen mit minimalem Energieverlust über enorme Entfernungen ausbreiten können. Dieser Schallkanal ermöglicht es, die Position der Boje zu triangulieren und ihre Bahn im Ozean Schritt für Schritt zu rekonstruieren.

Werden diese sehr unterschiedlichen Methoden – Doppler-Akustikprofilierung, geostrophische Inferenz und Lagrange-Treibbojen – auf dasselbe Meeresgebiet angewendet, ist zu erwarten, dass sie alle die großräumige Struktur der Strömung erfassen. Gerade dort, wo sie voneinander abweichen, liefern sie die wertvollsten Informationen: Diese Unterschiede offenbaren sowohl die ageostrophischen Beiträge, die die geostrophische Inferenz nicht erfassen kann, als auch die Strömungsvariabilität, die eine einzelne Methode allein niemals abbilden könnte. Daher erfordert die Messung von Meeresströmungen letztendlich die gleichzeitige Anwendung aller drei Methoden – der Euler-Methoden, die einen festen Punkt messen, und der Lagrange-Methoden, die der Strömung folgen –, um ein vollständiges Bild des bewegten Ozeans zu erhalten.

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