Für die Ozeanographie - und dort für die Beschreibung von Meeresströmungen - sind genaue Messungen der Dichte von Meerwasser von großer Bedeutung. Dafür sind Messgeräte nötig, die eine Unsicherheit von etwa 0,001 kg/m3 (relativ 1 · 10-6) erreichen. Um diese Messgeräte kalibrieren zu können, ist Reinstwasser als Referenzflüssigkeit erforderlich. Dessen Dichte kann mit dem in der PTB weiterentwickelten Verfahren der magnetischen Flotation über einen großen Temperaturbereich mit der erforderlichen Genauigkeit gemessen werden.

Das zur Messung von Flüssigkeitsdichte üblicherweise verwendete Verfahren ist die hydrostatische Wägung, bei der die Flüssigkeitsdichte mittels des archimedischen Prinzips aus dem Auftrieb ermittelt wird, den ein in die Flüssigkeit eintauchender Senkkörper erfährt. Dieses Verfahren hat mehrere Nachteile, die gerade bei der Messung von Wasser zutage treten. Es erfordert ein offenes Flüssigkeitsreservoir, in das der an einem Draht hängende Senkkörper eintaucht. Am Durchstoßpunkt des Drahtes durch die Flüssigkeitsoberfläche bildet sich ein Meniskus aus, der bei Wasser sehr schlecht reproduzierbar ist und deshalb erheblich zur Messunsicherheit beiträgt. Entlang des Drahtes entsteht ein Temperaturgradient, der ebenfalls die Messunsicherheit erhöht. Der Gasgehalt des Wassers ist wegen des offenen Systems schwer zu kontrollieren, er verändert aber die Dichte.

Um diese Unsicherheitsquellen auszuschalten, wurde eine Apparatur entwickelt, in der der Draht durch eine magnetische Kopplung ersetzt wurde. In dieser magnetischen Flotation befindet sich an der Halterung für den Senkkörper ein kleiner Magnet, mit dessen Hilfe durch ein mit einem Elektromagneten erzeugtes regelbares Magnetfeld der Senkkörper auf einer festen Position gehalten wird. Die hierzu erforderliche Stromstärke ist ein Maß für den Auftrieb, den der Senkkörper erfährt. Das Flüssigkeitsgefäß kann nahezu geschlossen werden, die Flüssigkeit ist lediglich über eine dünne Leitung, über die der Druck eingestellt werden kann, mit der Außenwelt verbunden. Auf diese Weise kann auch mit vollständig entgastem Wasser gemessen werden.

Die Vermeidung der genannten Unsicherheitsquellen ermöglicht es, Messungen mit einer Wiederholstandardabweichung von etwa 2 · 10-7 durchzuführen. Die Gesamtunsicherheit der Wasserdichtemessung erreicht deshalb einen Wert unterhalb 1 · 10-6. Die mit dieser neuen Apparatur durchgeführten Messungen konnten Werte ausländischer Kollegen weitgehend bestätigen. Es gibt jedoch noch Diskrepanzen im Temperaturbereich um 4 °C, der gerade für die Ozeanographie von großer Bedeutung ist. Deshalb bleibt hier noch weiterer Forschungsbedarf.

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Quelle: Informationsdienst Wissenschaft (12/2007)

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