Physikalische Ozeanographie
Die physikalische Ozeanographie behandelt den Ozean als rotierendes, geschichtetes Fluid und beschreibt, wie Wärme, Salz und Impuls seine Dichtestruktur bestimmen und Strömungen, Wellen und Mischungsprozesse auf Skalen von Zentimetern bis hin zu ganzen Becken antreiben.
Definition
Physikalische Ozeanographie ist die Untersuchung des physikalischen Zustands und der Bewegung des Ozeans – seiner Temperatur-, Salzgehalts- und Dichtefelder sowie der Strömungen, Wellen, Gezeiten und Turbulenzen, die durch Wind, Erwärmung, Abkühlung und die Erdrotation entstehen.
Scope
Dieser Bereich umfasst die thermodynamischen Eigenschaften von Meerwasser und die Zustandsgleichung, die vertikale thermohaline Struktur der Wassersäule, die windgetriebene und dichtegetriebene (geostrophische) Zirkulation, die Coriolis-dominierte Dynamik rotierender Strömungen, Oberflächen- und interne Schwerewellen sowie die kleinskalige Turbulenz und Vermischung, die die Bilanzen von Wärme, Salz und Energie schließen.
Sub-topics
Core questions
- Wie bestimmen Temperatur und Salzgehalt zusammen die Dichte des Meerwassers und die stabile Schichtung der Wassersäule?
- Warum fließen großräumige Meeresströmungen nahezu entlang und nicht quer zu Linien konstanten Drucks?
- Wie organisieren Oberflächenwinde und die Erdrotation die beckenweiten Gyren und Randströmungen?
- Wie wird Energie von großräumigen Strömungen und Wellen auf kleine Skalen übertragen, wo sie durch Vermischung dissipiert wird?
Key theories
- Geostrophisches Gleichgewicht
- Abseits von Grenzen und auf großen Skalen wird die horizontale Druckgradientkraft durch die Corioliskraft ausgeglichen, sodass Strömungen entlang von Isobaren fließen und aus dem Gefälle von Dichte- und Meeresoberflächenhöhenfeldern abgeleitet werden können.
- Ekman-Transport und -Pumpen
- Die Reibung durch Windschub, die durch die rotierende Grenzschicht wirkt, treibt einen Netto-Massentransport rechtwinklig zum Wind an, dessen Konvergenz und Divergenz Wasser vertikal pumpen und die innere Zirkulation erzwingen.
- Zustandsgleichung des Meerwassers
- Die nichtlineare Abhängigkeit der Dichte von Temperatur, Salzgehalt und Druck bestimmt Auftrieb, Schichtung und Phänomene wie Cabbeling und Thermobarizität und ist im internationalen thermodynamischen Standard für Meerwasser kodifiziert.
Clinical relevance
Die physikalische Ozeanographie untermauert die Wetter- und Klimavorhersage durch die Ozean-Atmosphäre-Kopplung, die maritime Navigation und operationelle Vorhersagen, die Ausbreitung von Schadstoffen und Larven sowie die Planung von Offshore- und Küsteningenieurbauten, wodurch die Physik der Meerwasserbewegung weitreichende gesellschaftliche Bedeutung erlangt.
History
Die quantitative physikalische Ozeanographie entwickelte sich aus der Challenger-Expedition (1872–1876) und den dynamischen Arbeiten von Bjerknes, Ekman und Sverdrup im frühen 20. Jahrhundert. Theorien der windgetriebenen Zirkulation von Sverdrup, Stommel und Munk Mitte des Jahrhunderts, gefolgt von Satellitenaltimetrie und globalen Bojen-Arrays wie Argo, wandelten das Feld in eine quantitative, beobachtungsreiche Wissenschaft um.
Key figures
- Vagn Walfrid Ekman
- Harald Sverdrup
- Henry Stommel
- Walter Munk
Related topics
Seminal works
- talley2011
- vallis2017
Frequently asked questions
- Warum ist der Salzgehalt im Ozean genauso wichtig wie die Temperatur?
- Sowohl Temperatur als auch Salzgehalt steuern die Dichte des Meerwassers, und in kalten polaren Gewässern dominiert oft der Salzgehalt; zusammen bestimmen sie, wo Wasser absinkt, wie die Wassersäule geschichtet ist und welche Wassermassen sich bilden.
- Was lässt Meeresströmungen abbiegen, anstatt geradlinig bergab zu fließen?
- Die Erdrotation führt den Corioliseffekt ein, der bewegtes Wasser ablenkt und im Gleichgewicht mit Druckgradienten dazu führt, dass großräumige Strömungen nahezu parallel zu Linien konstanten Drucks fließen, anstatt diese zu kreuzen.