Die Masterarbeit befasst sich mit dem Aufbau eines optischen Schlierensystems zur Untersuchung des Einflusses von Temperatur und Salzgehalt auf kleinskalige Konvektionen nahe einer Wasseroberfläche. Kleinskalige Konvektionsstrukturen sind von großer Bedeutung für die physikalischen Prozesse an der Grenze zwischen Wasser und Atmosphäre, da sie unter anderem den Wärme- und Stoffaustausch beeinflussen. Ziel der Arbeit ist es, mithilfe der Schlierenoptik eine präzise visuelle Darstellung der Strömungsphänomene zu ermöglichen, die durch Temperatur- und Salzgradienten entstehen.

Im Rahmen der experimentellen Untersuchung werden in der Literatur beschriebene Versuchsaufbauten optimiert, das es erlaubt, die optischen Dichteänderungen im Wasser aufgrund von Temperatur- und Salzgehaltsgradienten zu erfassen. Dabei soll es möglich sein, sowohl die Temperatur als auch den Salzgehalt im System gezielt zu variieren. Die Arbeit geht insbesondere der Frage nach, wie diese beiden Parameter die Entstehung und das Verhalten von Mikroskalenströmungen an der Oberfläche beeinflussen. Dabei wird sowohl die räumliche als auch die zeitliche Dynamik der Konvektion erfasst und beschrieben.

Neben der technischen Umsetzung des Schlierensystems werden theoretische Modelle zur Erklärung der beobachteten Phänomene diskutiert. Die Ergebnisse dieser Studie liefern nicht nur neue Einblicke in die Physik der Wasseroberfläche, sondern bieten auch wertvolle Informationen für Anwendungen in der Ozeanographie, Meteorologie und anderen Disziplinen, in denen Temperatur- und Salzgehaltsverteilungen eine Rolle spielen.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, mithilfe der Schlierenoptik eine hochpräzise visuelle Darstellung der Strömungsphänomene zu liefern, die durch Temperatur- und Salzgradienten in Flüssigkeiten entstehen. Durch diese optische Technik sollen feinste Änderungen in der Dichte des Wassers, die durch Temperatur- und Salzgehaltsunterschiede verursacht werden, sichtbar gemacht werden. Dies ermöglicht es, mikroskalige Konvektionsstrukturen, die in der Nähe der Wasseroberfläche auftreten, detailliert zu analysieren und zu verstehen.

Neben der technischen Umsetzung des Schlierensystems werden auch theoretische Modelle zur Erklärung der beobachteten Phänomene entwickelt und diskutiert. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Anwendung der Rayleigh-Zahl (Ra), die als Maß für die Stabilität von Konvektionsprozessen dient. Die Rayleigh-Zahl verknüpft Temperatur- und Salzgradienten mit den physikalischen Eigenschaften des Mediums und ermöglicht eine quantitative Einschätzung der Übergangspunkte von stabiler zu instabiler Konvektion. Durch die Einbeziehung dieser Kennzahl wird untersucht, bei welchen Bedingungen sich mikroskalige Konvektionsstrukturen an der Wasseroberfläche bilden und wie sich diese in Abhängigkeit von Temperatur- und Salzgehaltsgradienten entwickeln.

Vorrausetzungen sind:

Erfahrungen in der Optik und Bildverarbeitung

Plannung und Durchführung von Experimenten

Interesse an physikalischen Versuchsaufbauten und deren Entwicklungen

Theoretische Kenntnisse in Fluiddynamik