»Wind, Wellen und Wasser«

Molekulare Diffusion bedeutet, dass sich die Moleküle thermisch bewegen. In der Luft entsteht dadurch eine Zufallsbewegung. Im Wasser sitzen die Moleküle dagegen eng nebeneinander, und ein gelöstes Gas muss sich erst zwischen die Wassermoleküle zwängen. Deswegen ist die molekulare Diffusion dort nur etwa ein Tausendstel Mal so schnell wie in der Luft. Generell ist sie nur auf kurzen Entfernungen effektiv. Deshalb dauert es sehr lange, Gleichgewichte wiederherzustellen. Die Diffusion von Impuls dagegen verläuft im Wasser schneller, weil Impuls nur durch Stöße übertragen wird und die Moleküle nicht ihren Platz wechseln müssen.

Auf welche Weise versuchen Sie, die Austauschprozesse besser zu verstehen?

Unser zentrales Forschungsinstrument ist das Aeolotron. Der Name kommt vom griechischen Gott des Windes Aeolus. So wie ein Betatron ein Ringbeschleuniger für Elektronen ist, kam die Idee, das Aeolotron als Windschleuder zu bezeichnen. Damit ist das wichtigste Charakteristikum dieses Simulationsgeräts beschrieben: Es besteht aus einer ringförmigen Rinne, die zur Hälfte mit Wasser gefüllt ist und über die ein mit Turbinen erzeugter Wind bläst.

Was ist das Besondere am Aeolotron?

Das Aeolotron ist aktuell der größte, aktive ringförmige Wind-Wellen-Kanal der Welt. Es hat einen äußeren Durchmesser von zehn Metern. In dem Kanal versuchen wir, die Austauschprozesse möglichst realistisch nachzustellen und systematisch zu untersuchen.

Was macht die Vorgänge so kompliziert?

Wir arbeiten an unbekannter Physik. Die Sache erscheint einfach: Der Wind treibt die Strömung an und erzeugt Turbulenz. Doch die Details sind kompliziert, weil es gleichzeitig eine Rückkoppelung über die Wellen gibt, die der Wind erzeugt. Das heißt, es fließt nicht nur Energie in eine turbulente Strömung, sondern auch in den Aufbau eines Wellenfeldes. Diese Energie wird erst viel später beim Brechen der Wellen in Turbulenz umgesetzt. Wenn es keine Wellen gäbe, wären die Zusammenhänge theoretisch weitgehend verstanden. Leider lassen sich diese Prozesse bis heute nicht numerisch berechnen, da wegen des langsamen Diffusionsprozesses im Wasser Simulationen auf so kleinen Skalen durchgeführt werden müssten, dass Rechenleistung und Speicherkapazität der heutigen Rechner nicht ausreichen. Experimente sind daher unerlässlich.

Also wirkt sich alles, was die Wellen beeinflusst, auch auf die Austauschvorgänge aus?

Ja. Ein Faktor, der die Randbedingungen an der Oberfläche sehr stark verändert, sind oberflächenaktive Stoffe, die einen wasserliebenden Teil und einen wasserabstoßenden Teil haben. Diese Stoffe können auf der Wasseroberfläche einen Film bilden, der nur aus einer einzigen Moleküllage besteht. Trotz seiner geringen Dicke können durch diesen Film Moleküle von der Wasseroberfläche nicht so einfach in die Tiefe abtauchen, und ein turbulenter Wirbel wird nahe der Grenzfläche ganz anders beeinflusst als ohne Film. Ist die Moleküllage dicht genug, kann sie durch ihre Zähflüssigkeit sogar verhindern, dass überhaupt Wellen entstehen. Solche Oberflächenfilme bilden sich vor allem durch Stoffwechselprozesse von Tieren und Pflanzen im Wasser. Aber auch durch den Menschen, etwa wenn Abwässer ungereinigt in Flüsse eingeleitet werden, oder bei Ölkatastrophen.

Untersuchen Sie die Effekte von Oberflächenfilmen auch im Aeolotron?

Ja, wir machen aktuell Experimente mit unlöslichen Filmen, die man im Gegensatz zu löslichen Stoffen wieder einfach von der Wasseroberfläche absaugen kann. Typischerweise verwenden wir lange Alkan- oder Alkenketten, an denen etwas Wasserliebendes gebunden ist: ein Säurerest, ein Ester oder ein Alkohol. Wir haben den Kanal auf Höhe der Wasseroberfläche mit einer Teflonfolie beschichtet, damit die Filme nicht an den Wänden hängen bleiben. So ist es uns kürzlich zum ersten Mal gelungen, gezielt einen Film aufzubringen, der bis zu einer Windgeschwindigkeit von acht Metern pro Sekunde die Wellenbildung komplett unterdrückt hat. Damit haben wir die minimal mögliche Gasaustauschrate bei diesen Geschwindigkeiten realisiert.

Wieso betreiben Sie diesen Aufwand am Kanal und führen nicht einfach Feldmessungen auf dem Ozean durch?

Zum einen muss man auf dem Ozean immer warten, bis die richtigen Bedingungen herrschen, und kann nicht einfach das ganze Spektrum der Windgeschwindigkeit durchfahren. Zudem lassen sich verschiedene Vorgänge kaum voneinander trennen. So ist es sehr schwierig, die einzelnen Prozesse systematisch zu untersuchen. Der zweite Grund ist, dass die bisher bei Feldmessungen verwendete Messtechnik zumeist sehr ungenau ist und die Messmethoden teilweise extrem langsam sind.

Wie hoch ist die Aussagekraft der Messungen am Aeolotron?

Die Forscher, die Feldmessungen durchführen, kritisieren zu Recht, dass wir in einem Kanal nie ozeanische Bedingungen herstellen können. Doch die entscheidende Frage ist, ob man alle wichtigen physikalischen Effekte erfasst. Das geht auch im Kanal, schließlich ist das Relevante diese superdünne Grenzschicht an der Wasseroberfläche. Man braucht erstmal keinen Kilometer Wasser darunter. Allerdings ist ein Problem, dass die Wellengeschwindigkeit auf dem Ozean so lange wächst, bis die Wellen so schnell laufen wie der Wind, der sie anschiebt – Tsunamis können mit beinahe Schallgeschwindigkeit durch das Meer laufen. Wenn wir im Aeolotron die Wellen mit dem Wind ins Gleichgewicht bringen, entstehen Flachwasserwellen mit maximal drei Metern pro Sekunde bei einem Meter Wassertiefe. Diesen Effekt können wir jedoch berücksichtigen, indem wir die Wasserhöhe im Kanal variieren und die Auswirkungen auf den Gasaustausch untersuchen. Auch die Temperatur, die Einfluss auf die Geschwindigkeit der Diffusion und die Zähflüssigkeit des Wassers hat, können wir gezielt ändern.

Ist die gekrümmte Strömung in einem ringförmigen Kanal kein Problem?

Hydrodynamisch entstehen dadurch Sekundärströmungen, die aber nur den Wind stark beeinflussen, den Gasaustausch zum Glück nicht. Ein ringförmiger Kanal ist sogar sehr sinnvoll. Die Wellen in einem linearen Kanal, der einen Anfang und ein Ende hat, stehen immer am Anfang ihrer Bildung. Das führt zu Bedingungen, die auf dem Ozean nur vorkommen, wenn der Wind gerade erst eingesetzt hat – also fast nie. Im ringförmigen Aeolotron dagegen ist die Wechselwirkungszeit zwischen Wind und Wellen unendlich. Das ermöglicht, dass sich aus kleinen Wellen große Wellen aufbauen, die man in einem linearen Kanal überhaupt nicht erzeugen kann.

Stammt das Wasser im Aeolotron aus dem Meer?

Nein, unsere Messmethoden funktionieren nur mit deionisiertem, also sehr reinem Wasser. Und für die physikalischen Prozesse beim Gasaustausch über eine freie Wasseroberfläche spielt es fast keine Rolle, ob das Wasser Meerwasser ist oder nicht. Der Salzgehalt beeinflusst die entscheidenden Materialparameter des Wassers, also Diffusionsgeschwindigkeit und Zähflüssigkeit, nur geringfügig.

Wie sehen Ihre Messungen am Aeolotron konkret aus?

Zur Messung von Wärmetransport setzen wir eine Wärmequelle direkt auf die Wasseroberfläche. Dazu strahlen wir mit einem CO₂-Laser rund 1.000 Watt pro Quadratmeter ein – so viel, wie auch die Sonne liefert. Die langwellige Infrarotstrahlung wird in den obersten Mikrometern des Wassers absorbiert, und das Wasser erwärmt sich, bis genau so viel Wärme in die Tiefe abgegeben wird, wie nachkommt. Mit einer Thermografiekamera messen wir die Temperatur auf der Wasseroberfläche bei an- und ausgeschaltetem Laser. Aus dieser Temperaturdifferenz können wir die Austauschrate bestimmen.

Und wie messen Sie den Gasaustausch?

Dafür machen wir die Gaskonzentrationsfelder direkt im Wasser sichtbar, beispielsweise mithilfe von reaktiven Gasen: Wurde das Wasser leicht angesäuert, reagiert ein alkalisches Gas sofort an der Wasseroberfläche, und der pH-Wert schlägt um. Mit einem pH-Indikator, den wir ins Wasser geben und der nur in alkalischer Umgebung fluoresziert, können wir dann genau sehen, wo Gas ins Wasser transportiert wird. Gleichzeitig messen wir die Gaskonzentrationen im Wasser und in der Luft mittels Spektroskopie.

Sie waren auch viele Jahre Professor im Bereich der Bildverarbeitung. Wie hängt das mit Ihrer Forschung in der Umweltphysik zusammen?

Die bildaufnehmende Messtechnik ist ein entscheidender Punkt bei der Erforschung der Austauschprozesse. Bis wir die nötige Technik in meiner Forschungsgruppe entwickelt hatten, sind rund 40 Jahre mit vielen Doktorarbeiten vergangen. In der Grenzschicht laufen die Vorgänge sehr schnell ab. Deshalb nehmen wir von den Konzentrationsfeldern bis zu 600 Bilder pro Sekunde auf. Um die Felder nicht nur an der Wasseroberfläche, sondern auch in der Tiefe sehen zu können, verwenden wir sieben sehr empfindliche Kameras. Jede dieser Kameras liefert ungefähr ein Gigabyte Daten pro Sekunde.

Nach fast 25 Jahren Betrieb schließen Sie die Messungen am Aeolotron bis Ende 2023 ab. Was sind die wichtigsten Resultate Ihrer Forschung?

Ein wichtiges Ergebnis ist, dass wir die Austauschprozesse nun genau quantifizieren können. Wir haben in den letzten Jahren bereits so viele Messdaten gesammelt, dass wir mit deren Auswertung noch lange beschäftigt sein werden. Außerdem sind wir dabei, eine neue Methode für Feldmessungen zu entwickeln, bei der man nachts, wenn der Ozean in den kalten Himmel Wärme abstrahlt, allein aus den Temperaturmustern auf der Wasseroberfläche die Gasaustauschrate bestimmen kann. Das würde für die Ozeanmessungen eine völlig neue Welt eröffnen.