PAS I. Inhalt 3. Sitzung. Physik Aquatischer Systeme I. 3. Dichteschichtung ( ) ( ) Salzgehalt und Dichte

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1 PAS I Physik Aquatischer Systeme I 3. Dichteschichtung Inhalt 3. Sitzung Kap. 1. Physikalische Eigenschaften des Wassers 1.6 Gelöste Stoffe, Dichte, und elektrische Leitfähigkeit Dichte als Funktion des Salzgehaltes Salzgehalt und Leitfähigkeit Dichte als Funktion der Leitfähigkeit 1.7 Grundzüge der physikalischen Limnologie/Ozeanographie Saisonale Dichteschichtung in Seen Meridionale Dichtegradienten im Ozean W. Aeschbach-Hertig Institut für Umweltphysik Universität Heidelberg Salzgehalt, el. Leitfähigkeit, und Dichte Salzgehalt und Dichte Salzgehalt S η β S el. Leitfähigkeit κ β κ Dichte ρ schnell, genau, in situ messbar 3 4 Zusammensetzung des Meerwassers Salzgehalt, el. Leitfähigkeit, und Dichte Wichtig: Relative Ionenzusammensetzung nahezu konstant! Alle Konzentrationen c i skalieren mit Salinität S κ = S =ηκ 20 i fλ cz i i i i Salzgehalt S ρ ( c i ) =ρ 0 1+ β i c i i ( S) ( 1 S) ρ =ρ +β 0 S η β S Cl - Na + SO 4 2- Mg 2+ Ca 2+ K + el. Leitfähigkeit κ β κ ( ) ( ) ρ κ =ρ +β κ κ 20 Dichte ρ Ca 2+ /HCO 3- dominierte Seen: β κ = (µs/cm) -1 aus Stewart, 2003, 5 6

2 Zur Definition der Salinität (Ozeanographie) Früher: Aus Salzmasse als g/kg oder Heute: Practical Salinity Units (psu) aus Leitfähigkeit Komplette Zustandsgleichung für Wasser I 1. Süsswasser (Seen): Chen & Millero, 1986, L&O 31, aus Stewart, 2003, Komplette Zustandsgleichung für Wasser II Koeffizienten der UNESCO-Formel 2. Salzwasser (Ozean): UNESCO, Physikalische Limnologie/Ozeanographie Dichteschichtung im Jahresverlauf Limnologie: Studium der Oberfl.gewässer (Seen, Flüsse,...) Grundlage der Seenpyhsik: Vertikale Dichteschichtung Epilimnion gemischte Oberfl.schicht Metalimnion/Thermokline Starker Temp.gradient Hypolimnion kaltes Tiefenwasser, ~ 4 C 11 12

3 Dichteschichtung im Jahresverlauf Dichteschichtung im Jahresverlauf Temperature Density winter summer Depth Depth Saisonale Stratifikation und Umwälzung Saisonale Stratifikation und Umwälzung Zirkulationstypen bei Seen Zirkulationstypen: Geographische Verteilung Klassifikation nach Mischungsverhalten, abhängig von Klima und Tiefe der Seen Holomiktisch (mind. 1 vollständige Mischung im Jahr) Dimiktisch (2 Zirkulationen/Jahr, Herbst/Fühling) Monomiktisch (1 Zirkulation pro Jahr) Kalt monomiktisch (immer < 4 C, Eisbedeckung) Warm monomiktisch (immer > 4 C, Sommerstratif.) Polymiktisch (flache Seen, mischen oft) Amiktisch (keine vollständige Zirkulation) Meromiktisch (Zirkulation, aber nicht bis an den Grund) isoliertes Tiefenwasser: Monimolimnion 17 18

4 Physikal. Ozeanographie: Temperaturschichtung Dichteanomalie und Schmelzpunkt in Salzwasser Temperatur [ºC] Tiefe [m] Dichte als Funktion von Temperatur und Salz In Ozeanographie wird meist σ = ρ kg m -3 angegeben σ(t,s) für natürliche Wässer σ(t,s) für Meerwasser Wärmebilanz des Ozeans (NH) Q s : solare Einstrahlung Q b : Rückstrahlung Q e : Verdunstung Q h : Wärmeleitung T ρ max T gefrier ( ) ( ) M. Tomczak, Salzbilanz des Ozeans Hydrographie: T-, S- und ρ-verteilung im Ozean Bilanz von Verdunstung und Niederschlag: Evaporation (E) Precipitation (P) > 0 (Subtropen) S hoch T- und S-Bilanzen: Es muss meridionale Gradienten geben Kartierung mit Daten aus großen Projekten, z.b. WOCE = World Ocean Circulation Experiment 23 24

5 Temperaturverteilung im Atlantik Salinitätsverteilung im Pazifik Dichteverteilung im Pazifik T- und S-Verteilung im Atlantik: Wassermassen 0 m 20 C 4 C NA: North Atlantic AA: AntArctic DW: Deep Water BW: Bottom Water IW: Intermed. Wat m N 0 m 5000 m 2.5 C C S Schichtung und Zirkulation im Atlantik Thermohaline Zirkulation (Förderband) 29 30

6 Thermohaline Zirkulation Moderne Messmethoden: Floats und Gliders Rahmstorf, Nature 419: Zusammenfassung Salzgehalt und Dichte von Wasser: Konstante Salzzusammensetzung: Summenparameter S El. Leitfähigkeit κ als Proxy für S in Dichtebestimmung Grundlagen der physikalischen Limnologie: Saisonal variable vertikale Schichtung Wechsel von Schichtung und Zirkulation Grundlagen der physikalischen Ozeanographie: Meridional variable vertikale Schichtung (T-, S-Bilanzen!) Schichtung in niedrigen Breiten, Tiefenwasserbildung (Konvektion) in hohen Breiten Globale thermohaline Zirkulation 33