Turbulenz und Vermischung im Meer

Zusammenfassung

Die Bedeutung der Vermischungs- und Turbulenzvorgänge ist in der Ozeanographie relativ frühzeitig erkannt worden, und ihre Wirkung auf die Verteilung der ozeanographischen Faktoren (Temperatur, Salzgehalt u. a.) in allen Tiefenschichten der Ozeane ist vornehmlich mit Hilfe der ST-Beziehung eingehend untersucht worden. Die Diffusionskoeffizienten ergaben sich dabei um so größer, je großräumiger man die ozeanischen Bewegungen ansah, eine Tatsache, für die man keine Erklärung zu geben vermochte. Für die Darstellung der Turbulenzvorgänge bediente man sich in Anlehnung an die ähnlichen Vorgänge der molekularen Diffusion der Fickschen Diffusionsgleichung, und wichtige Folgerungen aus ihr haben das Verständnis des Mechanismus der Turbulenz und Vermischung wesentlich gefördert. Aber die Beobachtungen zeigten doch, daß diese einfache Beziehung den tatsächlichen Verhältnissen in der Natur nicht völlig gerecht wird und einer Erweiterung bzw. Änderung bedarf. L. F. Richardson [1926] hat sich zuerst mit dieser Frage befaßt und aus den vorliegenden Berechnungen des Turbulenzkoeffizienten ableiten können, daß dieser einer 4/3-Potenz einer charakteristischen Länge der Turbulenzbewegung (Weglänge der Vermischung, Mischungsweg oder Größe der Turbulenzelemente) proportional ist. Neuere Versuche von L. F. Richardson und H. Stommel [1948] haben auch für die turbulenten ozeanischen Ströme dieselbe Gesetzmäßigkeit gezeigt.

Die neue statistische Theorie der Turbulenz von Weiszäcker-Heisenberg führt zur gleichen Abhängigkeit der Turbulenzkoeffizienten und gibt weitere Auskünfte über die Verteilung der Energie auf die verschiedenen Größenklassen der Turbulenzwirbel, über die mittlere Geschwindigkeit in ihnen und über die Abhängigkeit des Turbulenzkoeffizienten von der Art der Trennung zwischen Grund- und Turbulenzgeschwindigkeit. Die Anwendung dieser Theorie auf die ozeanische Turbulenz ist mit einigen Änderungen in den Voraussetzungen der Theorie durchaus möglich und gewährt eine geeignete Grundlage für einen Einblick in die dynamischen Verhältnisse der turbulenten Meeresströme.

Summary

The importance of turbulence and mixing processes was relatively early recognized in oceanography and their effect on the distribution of oceanographic factors (temperature, salinity, and others) was made the subject of detailed investigations chiefly based on ST-correlations. The coefficients turned out the greater the larger in extension the oceanic circulation was assumed to be, a fact, for which no sufficient explanation could be found. In analogy with similar considerations which had already been successfully applied to molecular diffusion, the processes of turbulence were represented by means of the equation of diffusion after Fick and important conclusions were drawn from it contributing much to understand the mechanism of turbulence and mixing. Yet, observations proved that this simple relation does not fully correspond with the actual conditions in nature, but, on the contrary, had to be expanded or modified. L. F. Richardson was the first to deal with this question as early as in 1926 and to find by derivation from the existing computations of the coefficient of turbulence that the latter is proportional to a 4/3 power of a characteristic length of the turbulent movement. Recent experiments by L. F. Richardson and H. Stommel [1948] show that the same laws may likewise be applied to turbulent oceanic currents.

The new statistical theory of turbulence after Weiszäcker-Heisenberg leads likewise up to a dependence of the coefficients of turbulence on the length of the turbulent movement and supplies further information about the distribution of energy among the various sizes of turbulent eddies, their mean velocity and the dependence of the coefficient of turbulence on the nature of separation between basic velocity and velocity of turbulence. Some modifications with regard to the suppositions of the theory will render it possible to apply the theory to oceanic turbulence as well and will offer a suitable basis for an insight into the dynamic conditions of turbulent ocean currents.

Résumé

L'importance des procédés de turbulence et de mélange a été reconnue relativement tôt par l'océanographie et l'effet de ces procédés sur la distribution des facteurs océanographiques (température, salinité et d'autres) dans toutes les couches océaniques a été l'objet de recherches détaillées qui se basaient, avant tout, sur les corrélations entre la température et la salinité. On trouvait que les coefficients de diffusion aggrandissent proportionnellement à l'étendue de la circulation prise en considération.