Das Deep Basin Experiment (DBE) ist ein Teil des World Ocean Circulation Experiments (WOCE). Seit 1990 wurde eine große Zahl an Schwimmern im Brasilianischen Becken (im Südatlantik) ausgesetzt, um damit direkt die horizontale und vertikale Zirkulation im inneren des Tiefseebeckens messen zu können. Die Schwimmer sind Drifter, die in die bestimmten Wassertiefen gebracht wurden und sich dann z.B. mit Hilfe von Drucksensoren sich in der Tiefe gehalten haben. Die Messungen wurden in den drei Hauptwassermassen unterhalb der Sprungschicht durchgeführt, zu denen auch das Nordatlantische Tiefenwasser (NADW) und Antarktische Bodenwasser (AABW) gehören.

Einleitung:

Vor circa 40 Jahren hat Stommel (1957) das erste Konzept für die Zirkulation in der Tiefsee vorgestellt. Er stellte sich isolierte und eingeschränkte Quellen in der nördlichen und südlichen Polarregion des Atlantiks vor, die mit ihren dichten Wassermassen die Deep Western Boundary Currents (DWBC) gespeist haben. Das heutige Verständnis über die Zirkulation der Tiefsee rührt von neueren Erkenntnissen her, wie zum Beispiel das Zirkulationsschema von Reid (1989), sowie durch Rechenmodelle und Verankerungen die in die DWBC gebracht wurden.

In diesem Text soll nun die Zirkulation in einem Tiefseebecken observiert und quantitativ bestimmt werden. Es wurden außerdem der Prozeß des cross isotherm mixing, die Durchmischung durch die Isotherme im starken Strömungsregime des Vema Kanals und die Beobachtungen der Langzeiterwärmung des Bodenwassers diskutiert. Zu diesem Zwecke wurden schwimmfähige Drifter über einen langen Zeitraum ausgesetzt, in der Hoffnung, daß sich die Zirkulation durch die Mittelung der Eddy Bewegung enthüllt. Die Verankerungen dienten zur Unterstützung der Beobachtungen und zur Bestimmung der Eddy Aktivitäten. Die Durchlässe in das Brasilianischen Beckens sind folgende: der Vema und Hunter Kanal, die in die Rio Grande Anhöhe führen, die Romanche-Chain Bruchzone, die durch den Mittelatlantischen Rücken in Höhe des Äquators führt, und eine zonale Passage am Äquator, die das Becken mit dem Nordatlantik verbindet.

Das Design des Experimentes:

Die Größe des Brasilianischen Beckens (siehe Abb. 1) beträgt 3000 km in der Nord- Süd Richtung und 2000 km in der Ost-West Richtung. Es sollte die Zirkulation in Planquadraten von 500 km Ausmaß untersucht werden, wozu 24 unabhängige Berechnungen benötigt wurden. Aufgrund der Berechnung von Stommel (1957) und Reid (1989) und einer vorgegebenen Standardabweichung von nicht mehr als 0,05 cm/s wurde die Meßzeit auf 800 Tage festgelegt. Es wurden über das Gesamte Becken Schallquellen verankert, die Signale aussandten, welche dann von den Driftern in drei Zeitfenstern von jeweils 25 Minuten täglich aufgezeichnet wurden. Die Tabelle Nr. 1 zeigt den Unterschied zwischen den Erwartungen, die gesetzt wurden und den Erfahrungswerten. Die Drifter sollten 800 Tage lang Informationen senden und danach wieder an die Oberfläche kommen.

Abb. 1: Das Deep Basin Experiment Feld Programm. Besondere Bedeutung zeigen die verankerten Schallquellen. Die nummerierten Ringe zeigen die US Schallquellen und die ausgefülten Kreise zeigen entweder deutsche oder französische Schallquellen.



Tabelle 1: Design Parameter des Drifter Programms zu drei verschiedenen Zeiten. In den Zeilen 1 und 2 wurden die Informationen

Die verschiedenen Schichten wurden wie folgt aufgeteilt: das AAIW wurde von einer Gruppe deutscher und französischer Forscher untersucht, das NADW und das AABW von US Forschern. Deutsche und amerikanische Programme benutzten RAFOS Drifter mit verschiedener Technologie. Die Europäer nahmen die Signale der Drifter täglich auf, im Gegensatz zu den Amerikanern, die nur alle zwei Tage diese Signale aufnahmen. Hinzu kam, daß die Schallquellen zu dicht bei einander lagen und mehrere Schallquellen gleichzeitig zu hören waren. Dies hatte zur Folge, daß die ankommenden Signale nicht vernünftig aufgenommen werden konnten und somit auch der Verlauf der Drifter nicht immer korrekt nachvollziehbar war. Die ersten Drifter wurden im Oktober 1992 ausgesetzt und nur kurze Zeit (bis maximal 400 Tage) getestet und die letzten Anfang 1996. Diese Drifter haben, nachdem sie die Oberfläche erreichten circa 90% der gespeicherten Information via Satellit an die Forschungsschiffe übertragen. Der Erfolg hat die Bestätigung für das 800 Tage Projekt gegeben und die Drifter wurden in 2500 und 4000 m Tiefe ausgesetzt. Bei dem Projekt über 800 Tage hat es dann doch einige Probleme gegeben. Die Drifter sind nach Ablauf der Zeit korrekt an die Oberfläche gekommen und begannen ihre Informationen zu senden, haben damit aber nach ein paar Tagen aufgehört. Nach einer Laufzeit von 800 Tagen brauchen die Drifter 30 Tage um ihre kompletten Informationen zu übertragen. Von den Driftern hat ungefähr nur ein Drittel ihr komplettes Kontingent von 201 Datensätzen übertragen und ein sechstel hat nach wenigen Tagen an der Oberfläche versagt. Außerdem wurden 9 Verankerungen plaziert, die in 2500 m Tiefe je einen Strömungsmesser hatten, der die Strömungsverhältnisse des NADW aufzeichnete. Die Verankerungen wurden ebenso nach 2 ½ Jahren (800 Tagen) herausgeholt und die Strömungsmesser haben 95% der erwarteten Daten wiedergegeben.

Betrachtungen der einzelnen Wassermassen:

Antarktisches Zwischenwasser (AAIW):
Das AAIW zirkuliert in zwei Wirbeln. Einmal ein subtropischer antizyklischer Wirbel, gelegen bei ungefähr 35°S und ein tropischer zyklischer Wirbel bei 15°S. Diese beiden Wirbel sind zusammenhängend und Teil des antizyklischen, nördlichen Brasilstromes am westlichen Rand des Beckens. Ein Teil der Deep Western Boundary Current fließt in den tropischen Wirbel hinein. In Reids (1989) Schema (Abb. 2a) liegt der Trennpunkt, dort wo sich die Strömung in nördliche und südliche Deep Western Boundary Current des AAIW teilt, bei circa 30°S. Die mittleren Strömungsvektoren in dieser Tiefe (800 bis 900 m) stimmen im großen und ganzen mit Reid (1989) überein.

Nordatlantisches Tiefenwasser (NADW):
Die Ausbreitung von NADW wurde durch direkte Strömungsmessungen in einer Tiefe von 2000 bis 3000 m bestätigt. Seine Wege (in Abb. 2b beschrieben) sind die, die auch von Reid beschrieben wurden. Laut Reid (1989), Defant (1941) und anderen fließt das NADW südwärts, als eine tiefe westliche Randströmung bis circa 50°S, bevor es in einer langen Schleife wieder nach Norden fließt und sich seinen Weg durch den Mittelatlantischen Rücken nördlich von 20°S bahnt. Für das Brasilianische Becken bedeutet das hauptsächlich, daß es eine meridionale Bewegung mit südwärts gerichtetem Strom am Rand und einem nordwärts gerichteten Strom im Inneren des Beckens gibt. Die Vektoren der mittleren Strömung der Verankerungen zeigen einen südlichen Fluß des NADW vom Brasilianischen Becken ins Argentinische Becken. Eine erstaunliche Ausnahme bildet eine Strömung die in nördlicher Richtung entlang der Küste fließt.

Antarktisches Bodenwasser (AABW):
AABW ist das Wasser unterhalb von 3000m. Unterhalb dieser Tiefe ist die 2°C Isotherme zu finden, die oft als die obere Grenze des AABW angenommen wird (z.B. von Speer und Zenk, 1993). An der südlichen Grenze des Brasilianischen Beckens wird die Ausbreitung des AABW durch die Bodentopographie des Rio Grande Rückens beeinflußt.

Die Strömung des AABW ist aus dem Ergebnis der Verankerungen hergeleitet worden. Der Transport des AABW im Vema Kanal ist in nördlicher Richtung dominant. Im östlichen Teil ist eine Strömung von Hogg (1982) registriert worden, die genau entgegengesetzt fließt und Wasser vom Brasilianischen Becken in das Argentinische Becken transportiert. Es ist möglich, daß diese Strömung Teil einer antizyklonalen Zirkulation um das Rio Grande Plateau ist.

Abb. 2 a-c: Hauptströmungsvektoren (gerade Pfeile), Trajektorien von Tiefendriftern (verknäulte Linien mit Pfeilköpfen) und das dazugehörige Zirkulationsschema von Reid (1989) (große, geschwungene Pfeile) für das (a, obere) Antarktische Zwischenwasser (AAIW), das (b, tiefere) Nordatlantische Tiefenwasser (NADW) und das (c, sehr tiefe) Antarktische Bodenwasser (AABW). Die Symbole entlang der Trajektorien der Drifter befinden sich in regelmäßigen Abständen von 1 Monat. Die Geschwindigkeitsskala gilt nur für die Verktoren der Strömungsmesser. Die Quadranten auf den Vektoren zeigen die zugehörige Standardabweichung mit einer 10 tägigen integrierten Zeitskala (N.G. Hogg et al., 1996).

Eulersche Messungen:

Das NADW ist die Wasserschicht mit den meisten (vollständigen) Informationen. Mehr als die Hälfte der Verankerungen sind in diese Tiefe gebracht worden und die Geräuschquellverankerungen mit den Strömungsmessern haben nur in dieser Tiefe (2500 m) Messungen vorgenommen.

Die kinetische Energie der Eddies pro Masseneinheit liegt bei 1 cm²/s² in den Teilen des Beckens, die nicht am Äquator oder an dem westlichen Rand des Beckens liegen (siehe Abb. 3a). Obwohl das Brasilianische Becken nur vereinzelt mit Strömungsmessern bestückt ist, wird doch eine Haupteigenschaft der mittleren Strömung deutlich: diese Daten werden durch die Trajektorien der Drifter noch verstärkt, mit dem Ergebnis, daß die mittlere Strömung eine zonalen Bewegung vorweist. Dieses Phänomen wird besonders bei den 3 Verankerungen mit dem geringsten Abstand zum Äquator deutlich, außerdem taucht dieses Phänomen noch im Becken selbst, nördlich des südlichen Randes auf.

Starke Strömungen in Richtung des Randes wurden von den vier Strömungsmessern am westlichen Rand registriert, während die Strömung an der östlichen Grenze sich mehr verändert (siehe hierzu auch Abb. 3c).

Die Vektoren in Abb. 3d zeigen die Beständigkeit der tieffrequenten Strömung, die von den Strömungsmessern am Äquator aufgenommene Strömung wird von einer stabilen, kontinuierlichen zonalen Strömung überlagert, während die Verankerung Nr. 182 bei 22°S 34°W die stärkste Eddy- Komponente aufweist.

Weiterhin erwähnenswert sind die ersten Aufzeichnungen von Verankerung Nr. 179. Zuerst wurde eine ungewöhnlich starke, ostwärts gerichtete Strömung der Ostkomponente gemessen, die sich plötzlich in eine westwärts gerichtete Strömung umwandelte, während die Nordkomponente sich von Nord nach Süd drehte.

Abb. 3 a-d: Verschiedene Statistiken und Berechnungen der 9 Strömungsmesser, die auf den US Schallquellen installiert wurden. Ergänzt durch die, die sich entlang der südlichen Grenze des Brasiliansichen Beckens befanden. Alle Instrumente befanden sich in einer Tiefe zwischen 2300 und 2500 m. (a) Kinetische Eddyenergie pro Masseneinheit. (b) Eddy Zeitskala, definiert als Integral der zeitverzögerten Autokorrelationsfunktion vom Zeitrückstand null bis zum ersten Durchkreuzen von null. (c) Mittlerer horizontaler Fluß mit Standardabweichung in Form einer Ellipse. (d) Fortschreitende Vektoren mit Positionen, dargestellt durch Punkte im Abstand von 120 Tagen (N.G. Hogg and W.B. Owens, 1999).

Lagrange Messungen:

Bis zum jetzigen Zeitpunkt haben die Wissenschaftler nur die Hälfte der zurückgekehrten Drifter verfolgen können, aber einige Verhaltensweisen sind dennoch klar geworden. Die drei Drifter, die nah am Äquator ausgesetzt wurden, verhalten sich genau so wie die, die 1989 in den Tropen in 1800 m Tiefe ausgesetzt wurden. Dies wird deutlich am Beispiel einer dieser Drifter, dessen Daten komplett vorhanden sind. Dieser Drifter machte einen langen Abstecher nach Osten, entlang des Äquators und dann eine Schleife zurück nach Westen am Ende ihrer Lebensdauer.

Eine Zunge von hohem Sauerstoffgehalt (bei 20°S) erstreckt sich nach Osten vom Rand weg. Daraus hat Wüst (1935) gefolgert, daß sich der Strom im inneren des Beckens ausbreitet. Die detaillierten Informationen, die von den Driftern aus dieser Region vorhanden sind, geben Anlaß für eine andere Interpretation. Die südwärtige Ausbreitung der DWBC ist durch die Vitoria-Trindade Seamount Kette bei 20°S unterbrochen. Die südwärts verlaufenden Drifter wurden nach Osten abgelenkt, die Drifter, die lange genug in Funktion waren, bewegten sich dann wieder nach Westen.

Die DWBC des AABW bei 4000 m Tiefe ist in diesem Zusammenhang nicht so offensichtlich. Zwei Drifter, die im Vema Kanal ausgesetzt wurden, bewegten sich erwartungsgemäß eine lange Zeit Richtung Norden, entlang des westlichen Randes. Ein Drifter, der bei 10°S in der gleichen Tiefe ausgesetzt wurde, wurde nach Süden abgedrängt. Bei 19°S befand sich ein breites Band an südwestlicher Ausbreitung, nördlich der Vitoria-Trindade Seamount Kette. Im NADW taucht auch diese küstennahe Strömung auf. Drifter, die südlich der Kette im AABW ausgesetzt wurden, hatten Schwierigkeiten sich nach Norden zu bewegen. Von sieben ausgesetzten Driftern hat sich nur einer bei 20°S nach Norden bewegt, zwei bewegten sich unerwartungsgemäß Richtung Süden.

Im inneren des Beckens ist es weitaus schwieriger Strömungen zu registrieren. Es ist klar ersichtlich, daß die zonale Bewegung über die meridionale Bewegung dominiert, obwohl dies im Gegensatz zu den neueren veröffentlichten Schemata der mittleren Zirkulation steht. Die Drifter, die im AABW ausgesetzt wurden, haben einige ungewöhnliche Phänomene gezeigt. Betrachtet man die Drifter, die entlang der östlichen Grenze des Beckens bei 19°W ausgesetzt wurden, so wird ersichtlich, daß alle in der nördlichen Hälfte ausgesetzten Drifter sich nach Westen bewegten, so als ob sie aus dem Atlantischen Rücken, nur ein paar hundert Kilometer weiter östlich, stammen würden. Weiterhin verwunderlich ist, daß zwei dieser Drifter sich auf einem Kollisionskurs mit Driftern aus der Mitte des Beckens zu befinden schienen. Dieses Phänomen könnte durch Eddybewegungen hervorgerufen worden sein, da es dort keine mittlere Strömung gibt. Es ist aber wahrscheinlicher, daß dieses Phänomen mit dem Mischen von Wassermassen durch die Isothermen hindurch zusammen hängt, welche am Mittelatlantischen Rücken beobachtet wurden und den hypothetischen, diffusiv getriebenen Strömungen die dieses Phänomen begleiten.

Mischen:

Eine Grundmotivation, warum das DBE überhaupt durchgeführt wurde war die Tatsache, daß 4 Sverdrup Wasser, kälter als 1°C, in das Brasilianische Becken durch den Vema Kanal eingedrungen sind, aber das herausfließende Wasser war wärmer (siehe Abb. 4). Diese Tatsache setzt voraus, daß das kalte Wasser durch die 1°C Isotherme hindurchdiffundiert. Um die Balance des Wärmehaushaltes erhalten zu können, ist eine abwärts gerichtete Diffusion mit einer Austauschrate von 5 cm² sec^-1 nötig. Diese Rate ist ungefähr 50 mal höher als in der Hauptsprungschicht. Dabei ist unklar, ob dieses Mischen sich gleichmäßig über das Becken verteilt oder ob es sich nur auf bestimmte Regionen konzentriert, wie z.B. die westliche Grenzregion oder die Kanäle, in welchen die mittlere Strömung sehr stark ist.

Abb. 4: Schema des durchschnittlichen Wärme- und Massenbudgets des Brasilianische Beckens. Das Schema verdeutlicht anhand der zwei Balancen, daß eine Schätzung der Diffusivität über die 1°C Isotherme möglich ist (N.G. Hogg et al., 1996).

Zusammenfassung:

Die Wissenschaftler waren sehr überrascht von der Komplexität der Strömung in diesen beiden Tiefenregionen. Es scheint klar geworden zu sein, daß das Wissen über das Verhalten der Wassermassen unter der Sprungschicht dieser Region noch einmal überdacht werden muß. Die Strömung verläuft eher zonal als meridional und es tritt auch keine polwärts verlaufende Komponente in Erscheinung. Im Rahmen dieser Messungen wurde im Vema Kanal im Zeitraum von 1991 bis 1992 eine Temperaturerhöhung von 0,03°C verzeichnet, wobei im Zeitraum von 1972 bis 1991 die Temperatur bei -0,18°C ± 0,005°C konstant blieb.

Literatur:

Defant, A., 1941. Quantitative Untersuchungen zur Statik und Dynamik des Atlantischen Ozeans. Die relative Topographie einzelner Druckflächen im Atlantiscehn Ozean. In: Wissenschaftliche Ergebnisse der Deutschen Atlantischen Expedition auf dem Forschungs- und Vermessungsschiff "Meteor" 1925-1927, 6, 2nd Part, 4, pages 183-190.

Hogg, N., P. Biscaye, W. Gardner,, W.J. Schmitz Jr., 1982. On the transport and modification of Antarctic Bottom Water in the Vema Channel. J Mar Res Suppl to 40:231-263.

Hogg, N.G., W.B Owens, 1999. Direct measurement of the deep circutlation within the Brazil Basin, Deep-Sea Research II 46, 335-353

Hogg, N.G., W.B. Owens, G. Siedler, W. Zenk, 1996. Circulation in the Deep Brazil Basin, pages 249-260. The South Atlantic: Present and Past Circulation. Springer Verlag, edited by Wefer, G., W.H. Berger, G. Siedler, D. Webb.

Reid, J.L., 1989. On the total geostrophic circulation of the South Atlantic Ocean: Flow patterns, tracers and transports. Progress in Oceanography 23:149-244.

Speer, K.G. and W. Zenk, 1993. The flow of Antarctic Bottom Water into the Brazil Basin. Journal of Physical Oceanography 23:287-292.

Stommel, H., 1957. The abyssal circulation of the ocean. Nature 180:733-734

Wüst, G., 1935. Schichtung und Zirkulation des Atlantischen Ozeans. Die Stratosphäre. In: Wissenschaftliche Ergebnisse der Deutschen Atlantischen Expedition auf dem Forschungs- und Vermessungsschiff "Meteor", edited by Emery, W.J., 1925-1927, vol. 6, 1st Part, 2, 180 pp., 1978, The Stratosphere of the Atlantic Ocean, Amerind, New Delhi, 112 pp.