E3 Turbulenz und Mischung

Thema

Die Durchmischung der Ozeane ist der Prozess, bei dem Eigenschaften wie Wärme, Salz und Nährstoffe sowohl vertikal als auch horizontal zwischen Wassermassen unterschiedlicher Dichte diffundieren. Genau diese Diffusion verhindert, dass der Ozean aus einer einfachen Abfolge isolierter Schichten besteht, sondern ermöglicht einen ständigen Austausch von Wärme, Salz und Nährstoffen zwischen den einzelnen Schichten. In der Tiefsee, außerhalb der Grenzschichten von Oberfläche und Boden, ist die diapyknische Durchmischung – die Durchmischung quer zu den Dichteflächen selbst – extrem schwach, mit einer Diffusionsrate von kaum einem Hunderttausendstel Quadratmeter pro Sekunde. Sie ist jedoch absolut entscheidend für die Aufrechterhaltung der globalen thermohalinen Zirkulation: Ohne diese Durchmischung, so schwach sie auch sein mag, würde die Tiefsee stagnieren. Die Hauptenergiequelle für diese Durchmischung der Tiefsee ist das Brechen interner Schwerewellen, die hauptsächlich durch die Gezeiten erzeugt werden. Dieses Brechen sorgt dafür, dass selbst in den ruhigsten Bereichen der Tiefsee noch eine gewisse Durchmischung stattfindet.

In der oberflächennahen Mischungsschicht ist die Turbulenz jedoch deutlich intensiver: Ihre Diffusivität erreicht ein Hundertstel Quadratmeter pro Sekunde, tausendmal höher als im Ozeaninneren. Sie wird durch die Oberflächenspannung des Windes, die durch den Wärmeverlust an der Oberfläche entstehende Konvektion und die Wellen selbst angetrieben. Diese Kombination dreier unterschiedlicher Antriebsfaktoren bewirkt, dass die oberflächennahe Mischungsschicht wesentlich stärker in Bewegung ist als jeder andere Teil des Ozeans.

Die Doppeldiffusion ist ein besonderer Mischungsmechanismus des Ozeans, bei dem Wärme und Salz mit sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten diffundieren – Wärme diffundiert fast hundertmal schneller als Salz. Dieser Unterschied in den Diffusionsgeschwindigkeiten kann selbst bei stabiler Wasserdichte Konvektion erzeugen. Die sogenannten Salzfinger sind die bekannteste Manifestation dieser Doppeldiffusion: Sie entstehen, wenn warmes, salzhaltiges Wasser auf kühlerem, weniger salzhaltigem Wasser schwimmt. Dieser Unterschied in den Diffusionsgeschwindigkeiten von Wärme und Salz führt zur Bildung dieser dünnen, vertikalen Wasserfäden, die beim Austausch von Wärme und Salz mit dem durchströmten Wasser absinken.

Das Standardverfahren, das Ozeanmodelle zur Berechnung der vertikalen turbulenten Diffusivität verwenden, erstellt ein Profil, das von der Wassertiefe, der Stabilität der Schichtung und der Oberflächenanregung abhängt. Dieses Profil ermöglicht es, sowohl die intensive Durchmischung der Oberflächenschicht als auch die schwache Durchmischung des Meeresinneren mit einem einzigen, einheitlichen Schema abzubilden. Erwartungsgemäß ist die Durchmischung in der Oberflächenmischungsschicht stark, im Meeresinneren schwach, aber nie ganz null, und über der raueren Topographie des Meeresbodens – den mittelozeanischen Rücken und den Kontinentalhängen – noch intensiver, da dort interne Schwerewellen leichter entstehen und brechen als über einem glatten Meeresboden.

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