Mélange et turbulence dans l'océan

La turbulence à des échelles centimétriques et inférieures accomplit discrètement ce que les grands courants ne peuvent pas faire : elle brasse la chaleur, le sel, les nutriments et la quantité de mouvement à travers les surfaces de densité et soutient finalement le renversement profond de l'océan entier.

Definition

Le mélange océanique est le transfert irréversible de propriétés telles que la chaleur, le sel et la quantité de mouvement par des mouvements turbulents à petite échelle, tandis que la turbulence est le mouvement fluide chaotique et tridimensionnel qui produit ce transfert.

Scope

Ce sujet couvre la génération de turbulence par le vent, la convection et le cisaillement ; la structure et l'entraînement de la couche de mélange de surface ; le mélange diapycnal (à travers les isopycnes) dans l'intérieur, principalement entraîné par la rupture des ondes internes ; les processus de double diffusion ; et la paramétrisation du mélange dans les modèles océaniques et climatiques.

Core questions

• Quels processus génèrent la turbulence dans la couche de surface et dans l'intérieur stratifié ?
• Comment la turbulence détermine-t-elle la profondeur et les propriétés de la couche de mélange ?
• Qu'est-ce qui contrôle le taux de mélange diapycnal qui permet à l'eau dense des profondeurs de remonter à la surface ?
• Comment le mélange, qui agit à des échelles non résolues, peut-il être représenté dans les modèles océaniques à grande échelle ?

Key theories

Instabilité de cisaillement et nombre de Richardson

Un écoulement de cisaillement stratifié devient turbulent lorsque l'effet déstabilisateur du cisaillement de vitesse l'emporte sur l'effet stabilisateur de la stratification, une transition prédite par un faible nombre de Richardson gradient.

Énergétique du mélange abyssal

Le maintien de la stratification profonde et du renversement observés nécessite un apport global d'énergie de mélange, principalement attribué aux vents et aux marées internes se brisant sur la topographie accidentée.

Mechanisms

La contrainte de cisaillement du vent et le refroidissement de surface génèrent de la convection et du cisaillement qui mélangent l'océan supérieur en une couche quasi-homogène ; à l'intérieur, les ondes internes croissent, se raidissent et se brisent là où le nombre de Richardson devient suffisamment faible pour l'instabilité de cisaillement, produisant des parcelles de turbulence qui mélangent l'eau à travers les surfaces de densité. L'effet cumulatif fait remonter l'eau dense des profondeurs et clôture la circulation de renversement.

Clinical relevance

Le mélange détermine l'apport de nutriments aux eaux de surface éclairées par le soleil et donc la production primaire, contrôle la vitesse à laquelle l'océan absorbe la chaleur et le carbone, et constitue l'une des plus grandes sources d'incertitude dans les projections climatiques car il doit être paramétré plutôt que résolu.

History

L'ouvrage de Munk de 1966, « Abyssal Recipes », a posé le problème de la quantité de mélange nécessaire pour maintenir la stratification de l'océan profond ; les mesures de microstructure à partir des années 1970, culminant avec les expériences de libération de traceurs et le cadre énergétique de Munk-Wunsch de 1998, ont établi le mélange comme un contrôle central et limité en énergie de la circulation globale.

Key figures

• Walter Munk
• Carl Wunsch
• Lewis Fry Richardson

Seminal works

• thorpe2005
• munkWunsch1998

Frequently asked questions

Pourquoi le mélange en eaux profondes est-il important pour le climat ?

Le mélange permet à l'eau froide et dense des profondeurs de remonter lentement, clôturant la circulation de renversement globale qui redistribue la chaleur et le carbone ; son taux influence fortement la manière dont l'océan tamponne le changement climatique.

D'où provient l'énergie du mélange océanique ?

La majeure partie provient du vent soufflant à la surface et des marées qui entraînent des ondes internes se brisant sur la topographie accidentée du fond marin, convertissant l'énergie à grande échelle en turbulence à petite échelle.