Potentielle Dichte

Datei:Potentielle Dichte (Salinität).svg

Die potentielle Dichte σ_θ
aufgetragen über dem Salzgehalt im Wasser

Die potentielle Dichte ist eine in der Ozeanographie verwendete Kenngröße, die die Dichte von Meerwasser beschreibt, nachdem dieses adiabatisch auf den Normaldruck von einer Atmosphäre (1013 hPa) gebracht wurde.<ref name="Gill1982">Adrian Gill (1982): Atmosphere–Ocean Dynamics. Academic Press, New York. 1982. ISBN 0-12-283520-4.</ref> Um die Werte handlicher zu machen, wird die Dichte von reinem Wasser (1000 kg/m³) abgezogen.<ref name="Talley2011">Lynn D. Talley, G. L. Pickard, W. J. Emery, J. H. Swift (2011): Descriptive Physical Oceanography: An Introduction. Elsevier, Oxford. ISBN 978-0-7506-4552-2.</ref> Die potentielle Dichte ermöglicht den Vergleich von Wassermassen, spielt eine zentrale Rolle bei der Analyse von Meeresströmungen und wird zur Untersuchung der Schichtung des Ozeans eingesetzt.<ref name="IOC2010">IOC, SCOR & IAPSO (2010): The International Thermodynamic Equation of Seawater – 2010: Calculation and Use of Thermodynamic Properties. UNESCO, Paris. TEOS-10 Manual</ref> Flächen gleicher potentieller Dichte, sogenannte Isopyknen, dienen dabei als bevorzugte Bezugsebenen für die großräumige Ozeanzirkulation.

Definition

Die potentielle Dichte σ_Θ wird definiert als

<math>\sigma_\Theta = \rho(S, \Theta) - 1000 \,\tfrac{\mathrm{kg}}{\mathrm{m}^3}</math><ref name="Gill1982" />

mit:

<math>\rho(S, \Theta)</math>: Dichte des Meerwassers bei Normaldruck (1 atm), abhängig von Salinität S und potentieller Temperatur Θ
S: Salinität (in praktischen Salinitätseinheiten PSU)
Θ: potentielle Temperatur, also die Temperatur, die ein Wasserpaket nach adiabatischer Verbringung an die Oberfläche hätte<ref name="Talley2011" />

Die Subtraktion von 1000 kg/m³ ist eine Konvention, die die Werte handlicher macht (typischerweise zwischen 20 und 30).

Bedeutung in der Ozeanographie

Die potentielle Dichte ist eine der zentralen Kenngrößen der physikalischen Ozeanographie.<ref name="Gill1982" />

Strömungsantriebe:

Horizontale Unterschiede in der potentiellen Dichte sind die Hauptursache großskaliger Strömungen. Dichtere Wassermassen sinken unter leichtere, wodurch Druckgradientenkräfte entstehen, die Meeresströmungen antreiben.<ref name="Talley2011" />

Stabilität der Schichtung:

Die vertikale Verteilung von σ_Θ erlaubt Rückschlüsse auf die statische Stabilität der Wassersäule. Nimmt die potentielle Dichte mit der Tiefe zu, ist die Schichtung stabil. Abweichungen davon begünstigen vertikale Durchmischungsprozesse.<ref name="Gill1982" />

Wassermassenanalyse:

In der ozeanographischen Praxis wird σ_Θ zur Identifikation und Abgrenzung von Wassermassen genutzt. Charakteristische Wassermassen wie Antarktisches Bodenwasser oder Nordatlantisches Tiefenwasser lassen sich anhand von Salinität–Temperatur-Diagrammen in Verbindung mit der potentiellen Dichte eindeutig beschreiben.<ref name="Talley2011" />

Isopyknen:

Flächen gleicher potentieller Dichte, sogenannte Isopyknen, dienen als Bezugsebenen für Strömungen im Ozean. Entlang von Isopyknen bewegen sich Wassermassen vergleichsweise reibungsarm, was sie zu wichtigen Referenzflächen für die Analyse der großräumigen Ozeanzirkulation macht.<ref name="IOC2010" />

Potentielle Dichte, bezogen auf Druckebenen

Da Druckeffekte im Ozean eine große Rolle spielen, wird die potentielle Dichte oft nicht nur auf Normaldruck, sondern auf einen Referenzdruck (z. B. 2000 dbar oder 4000 dbar) bezogen.<ref name="Gill1982" /> Man spricht dann von σ₂ oder σ₄. Diese Definitionen sind notwendig, um die Dichteunterschiede in größeren Tiefen korrekt zu beschreiben, da sich kompressible Effekte auf die Dichteberechnung auswirken.<ref name="IOC2010" />

Siehe auch

Einzelnachweise

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