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Thema des Tages

Ekman war ein "Grenzschichtgänger"

In der Reihe berühmter Mathematiker und Physiker, die die Entwicklung
der Meteorologie maßgeblich geprägt haben, folgt im heutigen 
Tagesthema der schwedische Physiker und Ozeanograph Vagn Walfrid 
Ekman. 

Vagn Walfrid Ekman kam 1874 in Stockholm als vierter Sohn des 
Chemikers und Hydrographen Fredrik Laurentz Ekman zur Welt. 

Er studierte zunächst Physik an der Universität Uppsala und besuchte 
ebenso Vorlesungen zur Ozeanografie. Wegweisend waren für ihn vor 
allem die Vorlesungen von Vilhelm Bjerknes, der neben vielen anderen 
Disziplinen auch die Strömungslehre behandelte. 

In diesem Zusammenhang sei die Polar-Expedition von Fridtjof Nansen 
erwähnt, auf welcher dieser entdeckte, dass Eisberge nicht in die 
Richtung des Windes driften, sondern von dieser mit einem Winkel von 
etwa 20 - 40 Grad abweichen. 

Für diesen Sachverhalt lieferte V.W. Ekman noch als Student eine 
physikalische Erklärung mit der so genannten Ekman-Spirale. Diese 
stellt eine idealisierte mathematische Beschreibung der durch 
Reibungs- und Coriolis-Kraft (ablenkende Kraft durch die Erdrotation)
bestimmten Geschwindigkeitsverteilung und Richtungsänderung von Wind 
und Strömung in der Grenzschicht von Atmosphäre (reicht vom Erdboden 
bis in etwa 1500 m Höhe) oder Ozean dar.
Ein weiterer wesentlicher Beitrag zur Meteorologie liefert das so 
genannte Ekman-Pumping. Zu erklären ist dieses Phänomen auf folgende 
Art und Weise: Wenn durch die turbulente Reibung innerhalb der 
atmosphärischen Grenzschicht (oder aber infolge von Verwirbelungen 
durch lokal erhöhte Rauhigkeit oder Orografie) eine Vertikalbewegung 
induziert wird, spricht man vom Ekman-Pumping. Man kann sich das so 
vorstellen, dass aufgrund teils konvergierender (oder 
zusammenlaufender) Windrichtungen (reibungsbedingt innerhalb der 
Grenzschicht) die Luftmoleküle bodennah aneinander reiben und so eine
zwangsweise Ausweichbewegung nach oben erfolgen muss. 
Nachdem er 1902 sein Studium mit Erlangung des Doktorgrades 
abgeschlossen hatte, ging Ekman an das Internationale Laboratorium 
für ozeanografische Forschung in Kristiania (heute Oslo), wo er 
sieben Jahre wirkte. Von 1910 bis 1939 setzte er seine theoretischen 
und praktischen Arbeiten an der Universität Lund als Professor für 
Mechanik und Mathematische Physik fort. Seine Untersuchungen zum 
Zusammenwirken von Windkraft, Coriolis-Kraft und Reibung führten zu 
weitreichenden Erkenntnissen über die Entstehung und das Verhalten 
von Meeresströmungen. Er beschäftigte sich unter anderem theoretisch 
und experimentell mit dem Totwasser, einem unter Schifffahrern 
bekannten Phänomen, insbesondere an Flussmündungen und in 
abgeschlossenen Wasserbecken (zum Beispiel Kanälen). 
Was aber ist die Ursache dieses mysteriösen Bremseffekts? Schon 1904 
versuchte V.W. Ekman, dem Geheimnis des "toten Wassers" auf die Spur 
zu kommen. In Laborversuchen fand er heraus, dass dieser Effekt immer
dann auftritt, wenn das Meerwasser stark geschichtet ist - 
beispielsweise, weil sich leichteres Schmelzwasser über das salzige 
Meerwasser legt. Ein fahrendes Schiff erzeugt dann interne Wellen an 
der Grenze beider Schichten, die seine Bewegung abbremsen.
1910 wurde er in die Königliche Physiographische Gesellschaft in 
Lund, 1931 in die Königliche Wissenschafts- und Gelehrtengesellschaft
in Göteborg und 1935 sowohl in die Norwegische Akademie der 
Wissenschaften als auch in die Königlich Schwedische Akademie der 
Wissenschaften berufen. Ebenso war er Mitglied des Schwedischen 
Nationalkomitees für Physik.  
V.W. Ekman starb 1954 im schwedischen Gostad. Sein Lebenswerk ist 
geprägt durch viele wichtige Erkenntnisse im Bereich der 
Theoretischen Meteorologie, die insbesondere zum Verständnis der 
physikalischen Prozesse innerhalb der atmosphärischen und ozeanischen
Grenzschicht beigetragen haben.


Dr. rer. nat. Jens Bonewitz
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale 
Offenbach, den 17.10.2020

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