Mischung und Turbulenz im Ozean

Turbulenzen im Zentimeterbereich und darunter bewirken auf leise Weise das, was die großen Strömungen nicht können: Sie vermischen Wärme, Salz, Nährstoffe und Impuls über Dichteoberflächen hinweg und erhalten letztlich die tiefe Umwälzung des gesamten Ozeans aufrecht.

Definition

Ozeanische Mischung ist der irreversible Transfer von Eigenschaften wie Wärme, Salz und Impuls durch kleinräumige turbulente Bewegungen, während Turbulenz die chaotische, dreidimensionale Fluidbewegung ist, die diesen Transfer erzeugt.

Scope

Dieses Thema behandelt die Entstehung von Turbulenzen durch Wind, Konvektion und Scherung; die Struktur und Einmischung der oberflächennahen Mischschicht; die diapyknische (isopyknenübergreifende) Mischung im Inneren, die hauptsächlich durch brechende interne Wellen angetrieben wird; doppeldiffusive Prozesse; und die Parametrisierung der Mischung in Ozean- und Klimamodellen.

Core questions

• Welche Prozesse erzeugen Turbulenzen in der Oberflächenschicht und im geschichteten Inneren?
• Wie bestimmt Turbulenz die Tiefe und Eigenschaften der Mischschicht?
• Was steuert die Rate der diapyknischen Mischung, die es dichtem Tiefenwasser ermöglicht, an die Oberfläche zurückzukehren?
• Wie kann Mischung, die auf unaufgelösten Skalen wirkt, in großskaligen Ozeanmodellen dargestellt werden?

Key theories

Scherinstabilität und die Richardson-Zahl

Geschichtete Scherströmung wird turbulent, wenn der destabilisierende Effekt der Geschwindigkeitsscherung den stabilisierenden Effekt der Schichtung überwindet, ein Übergang, der durch eine niedrige Gradient-Richardson-Zahl vorhergesagt wird.

Energetik der abyssalen Mischung

Die Aufrechterhaltung der beobachteten Tiefenschichtung und Umwälzung erfordert eine globale Zufuhr von Mischungsenergie, die größtenteils auf Winde und auf interne Gezeiten zurückzuführen ist, die über rauer Topographie brechen.

Mechanisms

Windschubspannung und Oberflächenabkühlung erzeugen Konvektion und Scherung, die den oberen Ozean zu einer nahezu homogenen Schicht vermischen; im Inneren wachsen, versteilen und brechen interne Wellen, wo die Richardson-Zahl niedrig genug für Scherinstabilität wird, wodurch Turbulenzflecken entstehen, die Wasser über Dichteoberflächen hinweg mischen. Der kumulative Effekt hebt dichtes Tiefenwasser an und schließt die Umwälzzirkulation.

Clinical relevance

Die Mischung bestimmt die Zufuhr von Nährstoffen zu sonnenbeschienenen Oberflächengewässern und damit die Primärproduktion, steuert, wie schnell der Ozean Wärme und Kohlenstoff aufnimmt, und ist eine der größten Unsicherheitsquellen in Klimaprojektionen, da sie parametrisiert und nicht aufgelöst werden muss.

History

Muncks „Abyssal Recipes“ von 1966 stellte die Frage, wie viel Mischung erforderlich ist, um die Schichtung des Tiefseeozeans aufrechtzuerhalten; Mikrostrukturmessungen ab den 1970er Jahren, die in Tracer-Freisetzungsexperimenten und dem Munk-Wunsch-Energetik-Framework von 1998 kulminierten, etablierten die Mischung als eine zentrale, energielimitierte Kontrolle der globalen Zirkulation.

Key figures

• Walter Munk
• Carl Wunsch
• Lewis Fry Richardson

Seminal works

• thorpe2005
• munkWunsch1998

Frequently asked questions

Warum ist die Tiefsee-Mischung für das Klima wichtig?

Die Mischung ermöglicht es kaltem, dichtem Tiefenwasser, langsam nach oben zurückzukehren, wodurch die globale Umwälzzirkulation geschlossen wird, die Wärme und Kohlenstoff umverteilt; ihre Rate beeinflusst stark, wie der Ozean den Klimawandel abpuffert.

Woher kommt die Energie für die Ozeanmischung?

Der größte Teil davon stammt vom Wind, der auf die Oberfläche weht, und von Gezeiten, die interne Wellen antreiben, die über rauer Meeresbodentopographie brechen und großskalige Energie in kleinräumige Turbulenzen umwandeln.