Wassermassenformation
Im ersten Schritt der Untersuchung wurde analysiert, welche Wassermassen die Thermokline
ventilieren. Der Eintritt des Wassers ist auf wenige Regionen beschränkt. In diesen Regionen
werden die Quellwasser festgelegt, die auch die Randbedingungen für den Aufbau des Tracerfeldes
im Inneren sind.
In früheren Studien wurden die Wassermassen empirisch mit Hilfe historischer Daten festgelegt.
Dazu wurden in einem T/S Diagramm bestimmte `Eckwerte' (Quellwassertypen) identifiziert, die es
erlauben, durch Vermischung untereinander alle anderen beobachteten T/S Kombinationen darzustellen
(12,103,100).
Es wurden auch statistische Verfahren angewandt, um die Quellwassertypen festzulegen wie z.B.
die Clusteranalyse (120).
Ein Nachteil dieser Vorgehensweisen kann der sein, daß es Lücken in den zugrundeliegenden
Daten gibt und die Quellwassertypen nicht richtig erfaßt werden können. Weiterhin kann die
nicht-lineare Vermischung zum Entstehen vermeintlich `neuer' Quellwasser führen, die
mit einem linearen Modell, wie es die Untersuchung im T/S Diagramm darstellt, nicht erklärt
werden können (76,75).
In der vorliegenden Arbeit wurde ein anderer Weg eingeschlagen. Zuerst wurde eine Untersuchung der Formationsmechanismen von Wassermassen innerhalb des Gebietes durchgeführt. Über die Mechanismen wurde dann die Anzahl sowie die Definition der Wassermassen festgelegt.
(101) unterscheidet vier Formationsmechanismen von Wassermassen: Konvektion,
Subduktion, interne Vermischung und den Import aus anderen Meeresgebieten.
Aus den atmosphärischen Randbedingungen wurden zuerst Formationsregionen durch die Wechselwirkung
zwischen Ozean und Atmosphäre identifiziert. Zwei Regionen in der Südhemisphäre des
Indischen Ozeans konnten so gefunden werden: Die Formationsregionen der Modewasser
(68,48) und des Zentralwassers (29,95).
In der Nordhemisphäre wurden zwar saisonale Formationsregionen gefunden, in diesen kann
jedoch kein so dichtes Wasser erzeugt werden, daß es die permanente Thermokline ventiliert
(61).
Es folgte dann eine Untersuchung der Wassermassen Charakteristika nach den Formationsmechanismen
getrennt. Die Konvektion wurde dabei nicht berücksichtigt, da sie nur lokal zur Formation der
Modewasser führt (13,67), diese werden aber über die Subduktion in die
Thermokline eingespeist (114).
Es wurde daher die Subduktion für die Südhemisphäre des Indischen Ozeans detailliert untersucht.
Als `natürliche' Grenzen des so ventilierten Bereiches wurde polwärtig die
Subtropenfront und äquatorwärtig das Salzgehaltsmaximum, im Niveau der Oberflächenmischungsschicht,
gewählt. Dadurch ergab sich ein ventilierter Dichtebereich von 25.3kgm bis 26.9kgm
.
Die Subduktionsraten wurden mit zwei unterschiedlichen Methoden berechnet
(47,31), deren Vergleich eine gute Übereinstimmung zeigte.
Von den insgesamt 31 Sv Eintrag entfielen 10 Sv auf die Zentralwasser und 21 Sv auf die
Modewasser. Der Gesamteintrag entspricht in der Größenordnung den Werten, die für die
Nordhemisphäre ermittelt wurden (26,24).
Im Indischen Ozean ist allerdings das Verhältnis des Eintrags durch den Wind (
) zu dem Eintrag
lateral über die Front (
) umgekehrt zu den Verhältnissen in der Nordhemisphäre
der beiden anderen Ozeane.
Als mögliche Erklärung dieser Besonderheit wurde das Zusammenspiel von südlicher Neigung der
Subtropenfront nach Osten, und der vergleichsweise starke ostwärtige Transport entlang der
Front, vermutet.
Über den Vergleich der dichteabhängigen Eintragsraten mit den T/S Werten in der
Formationsregion, konnten die T/S Charakteristika der Modewasser und des Zentralwassers
festgelegt werden. Die Sauerstoff- und Nährstoffdaten wurden an die T/S Daten angepaßt.
Die Formation von Wasser durch interne Vermischung wurde im Bezug auf das Indische Äquatorialwasser untersucht (12,120,84,100). Die Formation wurde als Resultat erhöhter Vertikalvermischung am Äquator abgeleitet. Das Wasser befindet sich jedoch am Übergang zum tiefen Ozean und hat nur geringen Einfluß auf die Zusammensetzung der Thermokline.
Desweiteren spielen die in den Indischen Ozean importierten Wassermassen, durch ihre
extremen Charakteristika, eine wichtige Rolle an der Zusammensetzung der Thermokline.
Das Einströmen von Wasser aus dem Persischen Golf
und aus der Arabischen See bringt warmes, salzreiches Wasser in die Thermokline
(116,72).
Der Indopazifische Einstrom bringt Wasser mit einem geringen, fast konstanten Salzgehalt
über einen großen Temperaturbereich ein (116,14).
Die Quellwassertypen der importierten Wasser wurden aus hydrographischen Daten in den
Einstromregionen festgelegt.
Wassermassen Mischungsanalyse
Untersuchungen zur Ausbreitung von Wassermassen in der Thermokline des Indischen Ozeans, mithilfe
von Wassermassen Mischungsanalysen, wurden schon mehrfach durchgeführt
(120,119,100).
In der vorliegenden Arbeit wurde jedoch die Mischungsanalyse (OMP Analyse) erweitert,
sodaß es möglich war, biogeochemisch hervorgerufene Änderungen auf dem Ausbreitungsweg
der Quellwasser zu berücksichtigen (35,36).
Die Notwendigkeit eine `virtuelle Wassermasse' einzuführen, die die biogeochemischen
Änderungen kompensiert, wird durch diese Erweiterung aufgehoben.
Es werden die Vermischungsanteile und die biogeochemischen Änderungen voneinander getrennt.
Über Zehrungsraten lassen sich die biogeochemischen Änderungen in Altersverteilungen
umwandeln.
In früheren Untersuchungen (120,119) wurde die Zirkulation und die Ventilation
auf der Basis der ``Kernschicht-Methode'' (115) ermittelt. Dabei ist der Grad der
Verdünnung Indikator für die Ausbreitungsrichtung.
In der hier angewandten erweiterten Mischungsanalyse, kann aus der Altersverteilung auf die
Zirkulation und Ventilation rückgeschlossen werden.
Nicht-lineare Vermischung
Die Wassermassen Mischungsanalyse basiert auf linearer Vermischung der Tracer.
Um den Einfluß von nicht-linearer Vermischung zu prüfen, wurde eine Analyse der
doppeldiffusiven Flüsse durchgeführt.
Sie zeigte dort verstärkte Salzfingerflüsse, wo haliner und gesamter Oberflächendichtefluß
in den Ozean gerichtet sind.
Außerhalb dieser Regionen wurde eine Rotation der T/S Charakteristik gefunden, wie sie auch
(75) über eine Modellstudie ermittelte. Der Punkt um den die Rotation stattfindet
liegt auf der 26.7kgm Isopykne. Diese wurde von (120) als isopyknischer Ausbreitungsmode
des Wassers aus dem Subtropenwirbel identifiziert.
Die hier durchgeführte Analyse der Salzflüsse zeigt jedoch, daß es sich hier nicht um eine
isopyknische Ausbreitung handeln kann, da doppeldiffusive Salzflüsse immer auch diapyknische Flüsse sind.
Die Größenordnung der aus CTD Daten ermittelten Flüsse betragen 20% bis 30% der Oberflächenwerte,
wobei die zugrundeliegenden Bulk Formeln mit großen Unsicherheiten behaftet
sind (77,21). Um die Auswirkung der nicht-linearen Vermischung in der
Wassermassen Mischungsanalyse berücksichtigen zu können, wurden die Gewichtungsfaktoren für den
Einfluß von Temperatur und Salzgehalt bzw. Nährstoffe in den betroffenen Gebieten geändert.
Zehrungsraten und Alter
Um die biogeochemischen Änderungen in Altersinformationen zu überführen, werden Zehrungsraten
benötigt (74,30).
Um diese für die Thermokline des Indischen Ozeans zu bestimmen, wurden aus den transienten
Tracern F-11 und F-12 Wassermassenalter berechnet.
Die Berechnung geschah, je nach Region, mit oder ohne Berücksichtigung der Vermischung.
Setzt man die Alter ins Verhältnis zur Differenz von gemessenen Sauerstoff zum Sättigungswert,
ist das gleichbedeutend mit einer zeitintegrierten Zehrungsrate (74,98).
Der zeitintegrale Charakter der Zehrungsrate läßt die Variabilität mit der Tiefe bzw. Dichte
geringer werden.
Das Verhalten der Alter und der Zehrungsrate, unter dem Einfluß von
Vermischung, wurde mit einem einfachen Modell studiert.
Die beobachtete Zunahme der Zehrungsrate mit der Breite, konnte als Effekt der Vermischung
identifiziert werde. Eine tatsächliche, biogochemisch begründbare Änderung der Zehrung wurde
daher in erster Näherung ausgeschlossen.
Ein dichteabhängiger Verlauf der Zehrungsrate wurde als repräsentativ für den gesamten
Ozean angenommen.
Zirkulation
Die Wassermassen Mischungsanalyse wurde entlang von synoptischen Schnitten und auf
Dichteflächen klimatologischer Daten angewandt.
Sie bestätigte, daß die Thermokline des gesamten Indischen Ozeans hauptsächlich vom
Zentralwasser/Modewasser ausgefüllt wird (120,118).
Der Einfluß des Wassers aus dem Roten Meer bzw. dem Persischen Golf ist, in Übereinstimmung
mit der Literatur (120,116), nur in der Nordhemisphäre nachweisbar und nur
in Quellnähe bedeutend.
Der Einfluß des Wassers aus dem Indopazifischen Einstrom konzentriert sich, außer in der
unmittelbaren Einstromregion, auf die oberen 300 m Tiefe und hat für den untersuchten
Dichtebereich geringen Einfluß. Dieses bestätigt die Ergebnisse einer Analyse von
hydrographischen Daten von (17) und einer Analyse von Simulationsdaten
von (32). Es steht aber im Widerspruch zu den Ergebnissen der
Mischungsanalyse von (120), die einen stärkeren Einfluß des Einstromwassers bis in
700 m Tiefe analysierten.
Die Verteilung der Alter, berechnet aus den biogeochemischen Änderungen unter Berücksichtigung
der Zehrungsrate, zeigt, daß die Südhemisphäre im Mittel von einem System zweier Wirbel dominiert
wird: ein südlicher, antizyklonaler Wirbel, der sich von ca. 35S bis 15
S erstreckt
und ein nördlicher, zyklonaler Wirbel, der von 15
S bis zum Äquator reicht.
Die Aufteilung entspricht dabei gut der Sverdrup Zirkulation des mittleren Windfeldes
(78,102,112).
Der südliche Wirbel zeigt zwei Merkmale eines Subtropenwirbels, wie sie die Theorie (43)
vorhersagt. Neben der ventilierten Region ist, ab einer Tiefe von 300 m, im Osten eine Schattenzone
erkennbar. Oberhalb von 300 m wird diese vom Indopazifischen Einstrom advektiv mit Einstromwasser
ventiliert, wie es auch von (88) beschrieben wird.
konnten jedoch keine Schattenzone analysieren.
Der nördliche Wirbel transportiert Wasser, das aus dem südlichen Wirbel stammt, äquatornah nach
Osten. Beim nachfolgend westwärtigen Transport als Nordflanke des Südäquatorialstroms tritt
ein ausgeprägter Altersgradient entlang 15
S auf.
Eine Pool Region ist nicht zu erkennen, wahrscheinlich aufgrund der komplizierten Struktur
der Berandung.
Die Altersverteilung ist sehr ähnlich zu der Verteilung, die (60), durch Anwenden der
in der vorliegenden Arbeit entwickelten Wassermassen Mischungsanalyse, im Südatlantik gefunden
haben.
Obwohl der zonalgemittelte Netto-Wärmetransport im Indischen Ozean südwärts gerichtet ist
(23,70), hat die Formation von Modewasser und Zentralwasser nordwärtige
Wärme- und Stofftransporte in diesem Tiefenbereich zur Folge.
Erste Vergleiche mit Simulationsdaten zeigen eine gute Übereinstimmung in den Wärmetransporten
( Rix und Willebrand, pers. Mitteilung)
Ventilation
Die mittleren Erneuerungszeiten konnten auf zwei Arten berechnet werden.
Zum einen konnte direkt aus den Altern, die die Wassermassen Mischungsanalyse hervorbrachte,
eine Erneuerungszeit berechnet werden, die sich am verbrauchten Sauerstoff unter Berücksichtigung
der Zehrung orientiert.
Zum anderen konnte über das Gesamtvolumen und den Transport von Wasser
in die Thermokline, eine Erneuerungszeit errechnet werden (26).
Für den südlichen Wirbel, bis ca. 15S, lieferten beiden Methoden breitenabhängig sehr
ähnliche Erneuerungszeiten.
Nördlich von 15
S beginnt der Einfluß des nördlichen Wirbels wirksam zu werden,
die Erneuerungszeit aus der Wassermassen Mischungsanalyse wird daher, bezogen auf das Volumen,
unverhältnismäßig hoch.
Dieses ist eine Konsequenz der zyklonalen Zirkulation des Wassers im nördlichen Wirbel, die
das älteste Wasser bei etwa 15
S westwärts transportiert.
Die mittlere Erneuerungszeit bezüglich des Volumens, beträgt im südlichen Wirbel
(35
S bis 15
S) 9 Jahre und für beide Wirbel 16 Jahre.
Entlang eines Zonalschnittes bei 32S, konnten individuelle Alter der Quellwasser durch
eine Kombination von Sauerstoff und FCKW Alter ermittelt werden. Die Modewasser wurden im Mittel
als 3 Jahre alt gefunden, im Zentralwasser nahm das Alter mit der Tiefe zu und erreichte
Werte bis zu 20 Jahren (36).
Der Austausch mit der Nordhemisphäre findet im Westen, in Übereinstimmung mit (82)
und (120), über die westlichen Randströme statt. Das Somalistrom-System bringt das Wasser
in die zentrale Arabische See, ein Teil kann über eine Passage zwischen Sokotra und Somalia
weiter nordwärts in den Golf von Aden gelangen (79).
Ab ca. 10 N ist eine Abgrenzung zur nördlichen Arabischen See sichtbar.
Für die nördliche Arabische See wird im Mittel eine zyklonale Zirkulation in der Thermokline
gefunden.
Vor der Westküste Indiens, bei etwa 10
N, ist eine schwach ventilierte Zone erkennbar.
Die Analyse von Simulationsdaten von (32) zeigt, daß in dieser Region
die Zirkulation hauptsächlich auf die oberen 200 m der Wassersäule konzentriert ist.
Die Altersverteilung im Golf von Bengalen zeigt im Mittel eine zyklonale Zirkulation
und eine Ventilation von Südosten, wie sie auch von (119) angegeben wird.
Allein auf der 26.5kgm Isopykne ist zusätzlich auch ein Vordringen des Wassers von Westen
zu erkennen, was auch durch einen polwärtigen Unterstrom erreicht werden
kann (85).
Der Austausch zwischen beiden Becken, Arabische See und Golf von Bengalen, findet im Mittel in
Richtung Golf von Bengalen statt. Er wurde im untersuchten Dichtebereich als gering
monsunabhängig gefunden.