Vom Keller des Geomatikums den Ozean beobachten

27. August 2022, von Emelie Breunig and Rumeysa Yilmaz

Foto: Proshonni Aziz

Wir, 20 Studierende des Masterstudiengangs "Ocean & Climate physics", haben uns im Rahmen des Kurses "oceanic processes & observations" fünf interessante Projekte ausgedacht, um groß- und kleinskalige Prozesse im Ozean sowohl mit Laborexperimenten als auch mit numerischen Modellrechnungen zu untersuchen.

Angesichts der steigenden CO2-Werte und der schleppenden politischen Reaktionen darauf stellt sich die Frage: "Ist es jetzt an der Zeit, über Technologien nachzudenken, mit denen CO2 aktiv aus der Atmosphäre entfernt werden kann?". Eine Idee ist, nährstoffreiches Tiefenwasser heraufzuholen. Dadurch wird das Wachstum von Phytoplankton gefördert und CO2 in Form von biologischem Material gebunden. Fasziniert von dieser biologischen Pumpe, haben sich zwei Gruppen daran gemacht, ihre Machbarkeit zu testen.  

Das beste Mittel, um Wasser von einem Ort zum anderen zu bringen, ist ein Rohr. Warum also nicht nährstoffreiches Wasser durch schwimmende Rohre an die Oberfläche befördern? Wenn das kalte Wasser mit niedrigem Salzgehalt nach oben transportiert wird, erwärmt es sich und wird leichter als das Wasser mit hohem Salzgehalt über ihm, und es entsteht ein Auftrieb. Diesen Auftrieb haben wir auch im Labor beobachtet. Beim Ausprobieren verschiedener Durchmesser von 0,008 m bis 3 m im Modell hatte das Rohr mit 1,5m Durchmesser das beste Verhältnis zwischen dem aufsteigenden Wasservolumen und dem für das Rohr verwendeten Material. Mit diesem Aufbau werden jede Sekunde mehr als 3000 m³ Wasser aus einer Tiefe von 280 m nach oben befördert. Um die 2,8 Mio. Tonnen Kohlenstoff, die jeden Tag freigesetzt werden, zu binden, müssen wir jedoch immer noch 3,1 Mio. Rohre installieren.

Anstatt mit Rohren Wasser nach oben zu transportieren könnten wir auch verstärken, was bereits vorhanden ist. Am Boden des Ozeans produzieren hydrothermale Schlote riesige Mengen an erhitztem Wasser. Durch Bohrungen in der Nähe der mittelozeanischen Rücken könnten hydrothermale Schlote, die stark genug sind, um an die Oberfläche aufzusteigen, künstlich erzeugt werden.  Bei einem Schlot von etwa 34 x 106 W erreicht der Auftrieb bereits die Oberfläche und bringt 33 x 10⁶ m³ Wasser nach oben. Erhöht man die Schlotstärke auf 231 x 106 W, braucht man "nur" 1000 Bohrungen, um jedes Jahr bis zu 46 % der globalen Emissionen zu binden.  Bevor wir jedoch anfangen, Löcher zu bohren oder Rohre zu installieren, müssen wir bedenken, dass wir aktiv in sensible biologische Systeme eingreifen!

Die nächste Gruppe untersucht Überströmungen, die eine entscheidende Rolle bei der meridionalen Umwälzzirkulation und der Belüftung des Ozeans spielen. Sowohl im Labor als auch im numerischen Modell stellen wir wechselnde Neigungswinkel, Temperaturunterschiede zwischen Umgebungsflüssigkeit und Überströmung sowie die Corioliskraft ein. Die Überströmung erzeugt Wirbel unterschiedlicher Größe. Die Experimente zeigen, dass die Corioliskraft den deutlichsten Einfluss auf die durchschnittliche Wirbelgröße hat, wobei der Trend "geringere Corioliskraft führt zu größerer Wirbelgröße" gilt.

Die nächste Gruppe führt uns auf die westliche Seite des Ozeanbeckens. Die westlichen Randströme sind starke, anhaltende Strömungen entlang der westlichen Grenzen der großen Ozeanbecken der Welt. Sie gehören zu den stärksten Strömungen im Ozean und spielen eine entscheidende Rolle beim Transport von Wärme in Richtung der Pole. Da die globale Erwärmung zu stärkeren Passatwinden führen könnte, stellt sich die Frage, wie sich dies auf die westlichen Grenzströmungen auswirkt. Im Labor simulieren Ventilatoren die Passatwinde. Indem Partikel auf der Wasseroberfläche verfolgt werden, können die Geschwindigkeiten abgeschätzt werden.Als nächstes untersuchen wir den Ekman-Transport mit der ‚Particle Image Velocimetry‘ (PIV)-Technologie. Bei dieser Technik werden Glaspartikel in das Wasser gestreut, die mit einem Laser sichtbar gemacht werden. Durch die Aufnahme von aufeinanderfolgenden Bildern werden die vertikalen Geschwindigkeiten gemessen. Das Experiment beginnt mit zyklonalen und antizyklonalen Strömungen in einem rotierenden Tank, in dem Ventilatoren eingesetzt werden, um den Wind an der Oberfläche zu simulieren. Da sich der Tank drehte, war die Installation der PIV-Einrichtung mühsam, aber am Ende schaffte es die Gruppe und erstellte einen Leitfaden für die Einrichtung der rotierenden PIV-Technik, um dieses Wissen an weitere Studenten weiterzugeben.

Da es durch Corona noch viele Einschränkungen gab, sind wir dankbar, dass wir die erste Studentengruppe sein durften, die wieder im Labor im Keller des Geomatikums experimentieren konnte. Da die meisten von uns ihr Masterstudium während Corona begonnen haben, war dies eine perfekte Gelegenheit, endlich andere Studenten aus dem Semester kennen zu lernen. Wir möchten uns bei Prof. Dr. Carsten Eden und Dr. Alexa Griesel und Andreas Welsch bedanken, die uns dies ermöglicht haben und uns stets mit Rat und Tat zur Seite standen.