Forschung & Projekte

Large-Eddy-Simulation des turbulenten Nachstroms hinter einer Monopile-Fundamentstruktur eines Offshore-Windparks. Die Farben zeigen die Größe der horizontalen Geschwindigkeit (von links nach rechts), wobei Blau hohe und Rot niedrige Geschwindigkeiten anzeigt. Die Struktur ist durch den grünen Kreis gekennzeichnet, und die Strömungsrichtung (aufgrund der Gezeiten) ist links dargestellt.

Mit der beschleunigten Entwicklung von Offshore-Windparks entsteht die Notwendigkeit, die Auswirkungen dieser Parks auf den Ozean zu verstehen und zu quantifizieren.
Die Gruppe Kleinskalige Physik und Turbulenz arbeitet sowohl an Messungen als auch an der Entwicklung theoretischer und numerischer Modelle, um die möglichen Auswirkungen dieser Parks auf die physikalischen Bedingungen der Küstenmeere und insbesondere der Nordsee zu quantifizieren. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den Turbulenzen, die entstehen, wenn die Meeresströmungen das Wasser durch die Fundamente der Windparks und um sie herum hin- und herschieben. Die Meeresströmungen erzeugen im Kielwasser der Fundamente verstärkte Turbulenzen, die zu Veränderungen in der vertikalen Verteilung von Temperatur, Nährstoffen, Sauerstoff und Schwebstoffen führen können. Dies könnte sich wiederum auf die Biologie und Ökologie der Küstenmeere auswirken.
Darüber hinaus untersuchen wir mögliche Veränderungen der Meeresströmungen, die durch den erhöhten Reibungswiderstand der Fundamente verursacht werden könnten.

Im Rahmen des ERC Consolidator Grant FOXSTORM erforschen wir die Rückkopplungen zwischen der Durchmischung des Ozeans und der Stärke von extremen Stürmen. Im Rahmen des Projekts werden autonome Unterwassergleiter eingesetzt, die mit einer Reihe von hochmodernen Sensoren ausgestattet sind, die es ermöglichen, die Stärke der turbulenten Durchmischung zu messen und diese Durchmischung mit den physikalischen Kräften des Sturms in Beziehung zu setzen. Eines der Ziele des Projekts ist die Entwicklung eines auf Beobachtungen basierenden Verständnisses der Mechanismen der schnellen Durchmischung und der Abkühlung der Meeresoberfläche. Dies wird zusammen mit der turbulenzauflösenden Modellierung der Durchmischung des oberen Ozeans durch Simulationen mit großen Wirbeln geschehen. Die Ergebnisse werden genutzt, um die Darstellung der Ozeanvermischung bei extremen Stürmen in Vorhersagemodellen durch überarbeitete Turbulenzparametrisierungen zu verbessern.

Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs „Energietransfers in Atmosphäre und Ozean“ (TRR181), der seit 2016 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird, untersuchen wir die Energetik der Ozeanoberflächenschicht und ihren Austausch mit der Atmosphäre und dem tieferen Ozean. Es wurden neue Erkenntnisse zu folgenden Forschungsthemen gewonnen.

Wind-Wellen-Interaktion

Obwohl es seit vielen Jahrzehnten theoretische Modelle für die Wechselwirkung von Wind und Meereswellen gibt, gab es bisher nur wenige direkte experimentelle und beobachtete Beweise für die Kopplung zwischen Wind und Wellen. Mit dieser Arbeit haben wir direkte Beweise für spezifische Mechanismen erbracht, die den Wind mit den Meereswellen verbinden. Mit Hilfe neuartiger, fortschrittlicher Techniken zur Visualisierung von Luftströmungen sind wir in der Lage, die von den Wellen beeinflusste turbulente Luftströmung bis auf Bruchteile eines Millimeters an der Meeresoberfläche zu beobachten. Dies hat zu neuen Techniken zur Rekonstruktion des Druckfelds und zur Quantifizierung des Impuls- und Energietransports zwischen Atmosphäre und Ozean durch die gewellte Ozeanoberfläche sowie zur Identifizierung der Mechanismen geführt, die diese Transfers bewirken.

Energiedissipation an der Meeresoberfläche

In der oberen Schicht des Ozeans untersuchen wir Prozesse, die sich auf die Energiedissipation auswirken. Dies geschieht vor allem mit autonomen Ozeangleitern, die mit speziellen Turbulenzmesssensoren ausgestattet sind. Mit dieser Methode haben wir starke Energieübertragungen an Fronten (so genannte „submesoskalige Fronten“) sowie eine intensive Durchmischung des Ozeans als Reaktion auf Stürme festgestellt. Beide Energiedissipationsprozesse erfolgen durch die Auslösung von Instabilitäten im mittleren Zustand des Ozeans, die zur Erzeugung verstärkter Turbulenzen führen. Schließlich haben wir auch eine verstärkte Turbulenz in der oberflächennahen Zone des Ozeans unter Bedingungen starker Erwärmung beobachtet und quantifiziert. Die Bildung tageszeitlicher Heizschichten in den oberen Metern des Ozeans kann zur Entwicklung starker Strömungen und intensiver turbulenter Energiedissipation führen.

Ein autonomer Unterwasserglider, der mit einem Turbulenzmikrostrukturpaket (schwarzes Rohr oben) zur Messung von Meeresturbulenzen ausgestattet ist. -Image: Jeff Carpenter/Hereon-

Die Gruppe Kleinskalige Physik und Turbulenz hat sich auf den Betrieb und die Entwicklung der autonomen Gleiterplattform spezialisiert. Diese Roboterplattform ermöglicht uns die Messung von Variablen des oberen Ozeans über lange Zeiträume und unter extremen Bedingungen wie extremen Stürmen und Seegang sowie die unabhängige Messung von oberflächennahen Ozeanprozessen, die sonst von Forschungsschiffen verunreinigt werden. Wir integrieren ständig neue Sensorkombinationen, entwickeln Algorithmen zur Beschreibung des Verhaltens der Gleiter und der Probenahmestrategien und erforschen neue technologische Fortschritte für die Gleiterplattformen. Viele dieser aktuellen Aktivitäten werden durch das Helmholtz-finanzierte MUSE-Projekt unterstützt. Diese Forschungsaktivitäten werden im Folgenden beschrieben.

Beschreibung des Bewegungsprofils von Glidern

Es wurde ein Modell des Verhaltens von Glidern entwickelt, um Einsätze besser planen zu können, die Hydrodynamik von Glidern von den physikalischen Prozessen im Ozean zu entkoppeln und die Grenzen verschiedener Sensortechnologien zu verstehen. Zu diesem Zweck wurde ein Modell für Glider entwickelt und mit verschiedenen Sensoren getestet, um wichtige Aspekte der Gleitbahn, wie den Anstellwinkel, zu quantifizieren. Dieses Modell wurde auch erweitert, um die Auswirkungen von instationären Kräften, wie z. B. Wellen an der Meeresoberfläche, zu modellieren und die Grenzen solcher Prozesse bei der Messung von Meeresturbulenzen mit Glidern zu verstehen. Das Modell wurde auch verwendet, um die Konvektionsprozesse in einer Region mit tiefer Konvektion zu quantifizieren.

Entwicklung von mit Wasserstoff betriebenen Glidern

Um Glider und andere Meeresfahrzeuge mit geringer Leistung auf nachhaltigen Wasserstoff als Kraftstoff umzustellen, arbeiten wir mit den Materialwissenschaftlern von Hereon zusammen, um Wasserstofftreibstoffsysteme für Glider zu entwickeln. Dazu gehört die Gewinnung von Sauerstoff aus dem Meerwasser durch speziell entwickelte „künstliche Kiemen“, die von Hereon patentiert wurden. Ein funktionsfähiger Prototyp dieser Konstruktion wurde bereits gebaut und wird derzeit für den Einsatz in Glidern optimiert.