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