N 07° 12' 00.00" / W 023° 00' 00.00". Ein Hauptantrieb der weltumspannenden Meerwasserzirkulation, die als eine Art globales Förderband die Ozeane durchzieht, sind sehr kleine wirbelförmige Bewegungen. Diese Wirbel, unter dem Begriff Turbulenz zusammengefasst, sind in der Regel kaum größer als wenige Zentimeter bis Meter. Ihr alleiniges Bestreben besteht darin Wassermassen mit unterschiedlicher Dichte zu vermischen. Dabei bringen sie Wärme aus den oberen Schichten der Meere in die Tiefe, was dort zum Aufsteigen von kaltem Wasser führt.
Turbulenz lässt sich in fast allen Regionen der Meere aufspüren, die Stärke der Wirbel aber variiert in Zeit und Raum. Direkte Messungen der Bewegungen von turbulenten Wirbeln haben gezeigt, dass deren Energie häufig tausendfach, sehr selten aber auch einhundert millionenfach erhöht sein kann. Zum Leid der Turbulenzforscher sind es gerade diese sehr seltenen Ereignisse, die fast ausschließlich für die Vermischung und dem damit verbundenen Wärmetransport in die Tiefe verantwortlich sind. Das stellt die Beobachtung und Erforschung von ozeanischen Vermischungsprozessen, mit der sich weltweit ca. 300 Wissenschaftler beschäftigen, vor große Herausforderungen.
Für Turbulenzmessungen werden sehr schnelle Sensoren und hohen Datenraten benötigt. Die von der Turbulenz erzeugten Strömungs- und Temperaturänderungen im Ozean werden im Millimeterbereich aufgezeichnet. Wichtig dabei ist auch, dass das Messsystem selbst frei von hochfrequenten Bewegungen ist, da diese von den Sensoren als Wasserwirbel wahrgenommen werden würden.
Die am häufigsten für Turbulenzmessungen eingesetzten Geräte sind frei fallende Sonden, sogenannte Turbulenzprofiler, die von Forschungsschiffen ausgesetzt werden und langsam absinken. Haben sie ihre Zieltiefe erreicht, werden sie an einem nachgeworfenen Kabel wieder an Bord geholt, oder steigen nach Abwurf eines Gewichtes wieder auf. Um genaue Aussagen über die Stärke der Turbulenz an einem Ort zu machen, müssen die Messungen häufig wiederholt werden, denn man muss sicher sein, dass nicht ein seltenes energetisches Vermischungsereignis verpasst wird. Die Messungen erfordern daher viele Schiffzeit, was nur mit hohem finanziellem Aufwand erfüllt werden kann.
Auf dem ersten Fahrtabschnitt der 80. FS Meteor Reise haben wir erfolgreich ein neu entwickeltes autonomes Turbulenzmesssystem eingesetzt. Das System besteht aus einer selbstregistrierenden Turbulenzsonde, die auf einem Gleiter angebracht wurde. Ein Gleiter, der vor einigen Jahren selbst eine Revolution in der messenden Ozeanographie darstellte, ist in der Lage sich durch Änderung seines Volumens im Wasser selbstständig fortzubewegen, um vorgegebene Positionen im Ozean anzusteuern. Durch die Verringerung seines Volumens an der Meeresoberfläche wird er schwerer als das ihn umgebende Wasser und er fängt an, abzusinken. Sein langgezogener Rumpf mit kleinen Tragflächen erlaubt es ihm, sich während des Absinkens auch in horizontaler Richtung fortzubewegen. In seiner Zieltiefe angekommen, vergrößert er sein Volumen und beginnt mit dem Aufstieg, wobei er sich weiter in Richtung Zielposition bewegt. Während des Gleitens durch das Wasser zeichnet die aufgesetzte selbstregistrierende Turbulenzsonde 500 Strömungs- Temperatur- und Salzgehaltswerte pro Sekunde auf, anhand derer die Energie der kleinen turbulenten Wirbel bestimmt werden kann. Zusätzlich werden die hochfrequenten Eigenbewegungen des Gleiters durch Beschleunigungssensoren erfasst.
Dieses auf unserer Forschungsfahrt weltweit zum ersten Mal eingesetzte Turbulenzmesssystem kann über einen Zeitraum von bis zu einem Monat kontinuierlich die Energie der Turbulenz in der Wassersäule beproben, ohne dass dabei zusätzliche Schiffzeit beansprucht wird. Anhand dieser Langzeitdatensätzen werden wir eine sehr detaillierte Vorstellung von turbulenten Vermischungsprozessen erhalten und die sehr seltenen energetischen Vermischungsereignisse, die einen starken Einfluss auf die Ozeanzirkulation und damit auf unserer Klima haben, besser verstehen können.