Solar Radiative Transfer into the Ocean: A Study on Underwater Light Fluctuations due to Surface Waves

Hieronymi, Martin

The thesis is about the solar radiative transfer into the ocean. Particular emphasis is placed on underwater light fluctuations due to focusing surface waves. The study includes measurements at high sea and computational simulations of the light propagation in seawater and wave-induced radiative variability. Surface waves of different sizes have an optical lensing effect; they cause focusing of light beams at various depths. The underwater propagation of light depends on the scattering and absorption properties of seawater. Strongest light fluctuations appear near the surface at water depths of 0.5 to 10 m. At 1 m depth, radiative enhancements with a factor of 40 compared to the mean light level can be achieved. These short-term extreme values refer to the downwelling irradiance. The reason for the most intense irradiance peaks are surface waves with lengths of 20 cm to 5 m. In theory, light flashes with a radiative intensification of the factor 1.5 can appear down to 80 m of water depth. The range of possible irradiance peaks is discussed with respect to all relevant ocean waves. Even 200 m long swell waves can originate small irradiance changes below the 90 m depth level. In natural sea states waves of different sizes are superposed. Their respective lensing effect controls the subsurface light regime. The mechanisms of those interactions are analyzed. Local wind, which is primarily associated with ultra-gravity waves, strongly affects light fluctuations within the near-surface region down to 10 m depth. The most intense radiative peaks result from moderate wind conditions with velocities of 2 to 7 m/s. Below 10 m depth, the temporal and spatial light variability is driven by superposed fully developed gravity waves of the corresponding sea state. Comparable strong variations arise from 1.5 m high waves. Even in 100 m depth slight wave-induced light field variance was found.

In dieser Arbeit geht es um die Sonneneinstrahlung in den Ozean und insbesondere um Schwankungen des Strahlungsangebots aufgrund von fokussierenden Wellen auf der Wasseroberfläche. Die Untersuchungen umfassen sowohl Messungen auf See, als auch Computer-Simulationen der Unterwasser-Lichtausbreitung und der wellenbedingten Strahlungsvariabilität. Verschieden große Wellen wirken als optische Linsen und verursachen damit eine Bündelung von Sonnenstrahlen in unterschiedlichen Tiefen. Die Ausbreitung des Lichts hängt maßgeblich von den Streu- und Absorptionseigenschaften des Wassers ab. Die stärksten Lichtschwankungen treten in Wassertiefen von etwa 0,5 bis 10 m auf und können das Strahlungsniveau in der Tiefe um mehr als das 40-fache übersteigen. Solche kurzzeitigen Extremwerte, bezogen auf die abwärtsgerichtete Strahlungsflussdichte, werden durch Wellen von 20 cm bis 5 m Länge hervorgerufen. Theoretisch können Lichtblitze mit einer 1,5-fachen Strahlungserhöhung in bis zu 80 m Wassertiefe auftreten. Die Bandbreite der möglichen Strahlungserhöhungen ist für alle relevanten Wellen im Ozean erörtert; sogar 200 m lange Dünungswellen können das Lichtangebot in größeren Tiefen (> 90 m) beeinflussen. In einem natürlichen Seegang sind Wellen verschiedener Größe überlagert, die durch ihre jeweilige Linsenwirkung das Unterwasserlichtregime beeinflussen. Die Mechanismen der gegen¬seitigen Verstärkungen und Abschwächungen von Strahlungswerten werden genau analysiert. Der momentane Wind über einem Seegebiet und die damit verbundenen kleineren Ultra-Schwerewellen haben bis etwa 10 m Tiefe starken Einfluss auf die Unterwasser-Lichtfluktuationen. Die größten Schwankungen treten bei mäßigen Windverhältnissen von 2 bis 7 m/s auf. Unterhalb von 10 m werden die Fluktuationen zeitlich und räumlich von überlagerten voll ausgereiften Schwerewellen des entsprechenden Seegangs bestimmt. Die stärksten Lichtschwankungen werden hier von etwa 1,5 m hohen Wellen hervorgerufen. Noch in 100 m Wassertiefe können leichte seegangsbedingte Strahlungsschwankungen nachgewiesen werden.

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Hieronymi, Martin: Solar Radiative Transfer into the Ocean: A Study on Underwater Light Fluctuations due to Surface Waves.

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