Mirjam Gleßmer

Wenn die Flüsse aufwärts fließen

Doppeldiffusion, Kontext Ozean, Salzfinger
Salzfinger im Experiment. Die Ausgangsschichtung war oben blau und unten klar. Nach wenigen Minuten bilden sich Salzfinger. Skala im Vordergrund sind cm. , © Mirjam Gleßmer

Mirjam Gleßmer

Doppeldiffusive Vermischung im Ozean

Gleichmäßige Gezeiten, brechende Brandung, stürmische See der Ozean wird kontinuierlich und unaufhaltsam vermischt. Externe Einflüsse und interne Prozesse führen dazu, dass sich Gradienten ausgleichen und gleichförmige Verteilungen von zum Beispiel Temperatur und Salzkonzentration des Meerwassers in verschiedenen Regionen einstellen. Trotzdem wird die Vermischung nie abgeschlossen sein. Das sieht man zum Beispiel daran, dass regionale Muster über viele Jahre stabil sind. Diese Unterschiede sind in erster Linie durch unterschiedliche Sonneneinstrahlung in Abhängigkeit von der geographischen Breite zu erklären und werden durch Meeresströmungen moderiert zum Beispiel durch den Golfstrom, der warmes Wasser aus den Subtropen bis hoch in den Nordatlantik bringt und damit zu den milden Wintern in Europa führt (Abb.1 ).
Auch vertikal gibt es Temperaturunterschiede. Diese sind direkt beim Baden im See spürbar: Selbst wenn das Wasser an der Oberfläche angenehm warm ist, spürt man, sobald man die Füße nach unten streckt, dass es kälter wird. Im See sind diese Unterschiede durch Erwärmen und Abkühlen an der Wasseroberfläche sowie durch das Dichtemaximum von Süßwasser bei 4°C erklärbar. Im Ozean ist es etwas komplizierter. Da im Meerwasser Salz enthalten ist, hängt die Dichte von Meerwasser nicht nur von dessen Temperatur ab, sondern auch von der Konzentration der im Meerwasser gelösten Salze. Die gleichzeitige und nicht-lineare Abhängigkeit der Meerwasserdichte von Temperatur und Salz kann komplizierte vertikale Strukturen hervorrufen. Zum Beispiel versorgt der immer neue Nachstrom von warmem Wasser aus dem Mittelmeer den kälteren Atlantik mit warmem, salzigem Wasser. Dieser Ausstrom passiert allerdings nicht an der Oberfläche, sondern, aufgrund der hohen Salzkonzentrationen auf Tiefe der Schwelle in der Straße von Gibraltar. In 950 Meter Tiefe sehen die Temperaturverteilungen im Nordatlantik deshalb deutlich anders aus als an der Oberfläche (Abb.1, rechts). Es ist hier insgesamt kälter, und die warmen Temperaturen sind jetzt nicht mehr auf den Subtropenwirbel und den Golfstrom und seine Ausläufer bestimmt, sondern durch das ausströmende Mittelmeerwasser, das durch die Corioliskraft nach rechts, also entlang der Küste von Portugal, abgelenkt wird (für schulgeeignete Einführungen der Corioliskraft s. [1]). Dieses warme, salzige Mittelmeerwasser vermischt sich nach und nach mit darüber und darunter befindlichem Atlantikwasser, dies ist zurückzuführen auf Diffusionsprozesse.
In der ozeanographischen Forschung wird der Begriff der Diffusion nicht nur für die Diffusion von Stoffen, sondern auch für die Veränderung von Temperaturverteilungen im Raum über die Zeit verwendet. Das kommt daher, dass man die Veränderung von Temperatur als Diffusion von Bewegungsenergie durch Stöße zwischen Teilchen modellieren kann. Die Diffusion von Bewegungsenergie, und damit Temperatur, ist viel schneller als die von Stoffen, da hier Moleküle nicht mehr physisch den Platz wechseln müssen, sondern nur gegeneinander stoßen und dabei ihre Energie übertragen.
Hat man gleichzeitig Gradienten in Temperatur und Salz, diffundieren beide Eigenschaften gleichzeitig. Dabei wird aus einem langsamen und kleinskaligen Prozess plötzlich etwas, was in großen Ozeanregionen Nährstoffverteilungen und damit Phytoplanktonkonzentrationen beeinflusst und damit sogar einen Einfluss darauf hat, wie viel CO2 der Ozean der Atmosphäre entziehen, also den anthropogenen Klimawandel moderieren, kann: Es findet eine Doppeldiffusion statt.
Doppeldiffusion in einem einfachen System
Wir gehen im Folgenden von Doppeldiffusion im ozeanographischen Sinne, also gleichzeitiger Diffusion von Temperatur und Salz, aus. „Salz ist dabei in erster Näherung Kochsalz (Meersalz besteht zu 97% aus NaCl) und zeigen die zeitlichen Veränderungen für ein einfaches 2-Schichten-System: Einer warmen, salzhaltigen Schicht, die...

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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Chemie Nr. 166 / 2018

Chemisches Gleichgewicht

Friedrich+ Kennzeichnung Fachwissen Schuljahr 11-13