Menging en turbulentie in de oceaan

Turbulentie op schalen van centimeters en kleiner bewerkstelligt geruisloos wat de grote stromingen niet kunnen: het mengt warmte, zout, nutriënten en momentum over dichtheidsvlakken heen en onderhoudt uiteindelijk de diepe omwenteling van de gehele oceaan.

Definition

Oceaanmenging is de irreversibele overdracht van eigenschappen zoals warmte, zout en momentum door kleinschalige turbulente bewegingen, terwijl turbulentie de chaotische, driedimensionale vloeistofbeweging is die deze overdracht produceert.

Scope

Dit onderwerp omvat de opwekking van turbulentie door wind, convectie en schuifspanning; de structuur en menging van de gemengde oppervlaktelaag; diapycnische (kruis-isopycnische) menging in het binnenste, grotendeels aangedreven door brekende interne golven; dubbeldiffusieve processen; en de parameterisering van menging in oceaan- en klimaatmodellen.

Core questions

• Welke processen genereren turbulentie in de oppervlaktelaag en in het gestratificeerde binnenste?
• Hoe bepaalt turbulentie de diepte en eigenschappen van de gemengde laag?
• Wat regelt de snelheid van diapycnische menging die het dichte diepzeewater in staat stelt terug te keren naar het oppervlak?
• Hoe kan menging, die op onopgeloste schalen werkt, worden weergegeven in grootschalige oceaanmodellen?

Key theories

Schuifinstabiliteit en het Richardson-getal

Gestratificeerde schuifstroming wordt turbulent wanneer het destabiliserende effect van snelheidsgradiënt het stabiliserende effect van stratificatie overwint, een overgang die wordt voorspeld door een laag gradiënt Richardson-getal.

Energetica van abyssale menging

Het in stand houden van de waargenomen diepe stratificatie en omwenteling vereist een wereldwijde toevoer van mengenergie, grotendeels terug te voeren op winden en op interne getijden die breken over ruwe topografie.

Mechanisms

Windschuifspanning en oppervlakteafkoeling genereren convectie en schuifspanning die de bovenste oceaan mengen tot een bijna-homogene laag; in het binnenste groeien, steiler worden en breken interne golven waar het Richardson-getal laag genoeg wordt voor schuifinstabiliteit, waardoor plekken van turbulentie ontstaan die water over dichtheidsvlakken heen mengen. Het cumulatieve effect doet dicht diepzeewater opstijgen en sluit de omwentelingscirculatie.

Clinical relevance

Menging bepaalt de toevoer van nutriënten naar zonovergoten oppervlaktewateren en daarmee de primaire productie, regelt hoe snel de oceaan warmte en koolstof absorbeert, en is een van de grootste bronnen van onzekerheid in klimaatprojecties omdat het geparameteriseerd moet worden in plaats van opgelost.

History

Munks Abyssal Recipes uit 1966 stelde het probleem van hoeveel menging nodig is om de stratificatie van de diepe oceaan te handhaven; microstructuurmetingen vanaf de jaren zeventig, culminerend in tracer-vrijgave-experimenten en het Munk-Wunsch energetica-raamwerk van 1998, vestigden menging als een centrale, energiebeperkte controle op de mondiale circulatie.

Key figures

• Walter Munk
• Carl Wunsch
• Lewis Fry Richardson

Seminal works

• thorpe2005
• munkWunsch1998

Frequently asked questions

Waarom is diepzeemenging belangrijk voor het klimaat?

Menging stelt koud, dicht diepzeewater in staat langzaam opwaarts terug te keren, waardoor de mondiale omwentelingscirculatie die warmte en koolstof herverdeelt, wordt gesloten; de snelheid ervan beïnvloedt sterk hoe de oceaan klimaatverandering buffert.

Waar komt de energie voor oceaanmenging vandaan?

Het meeste komt van de wind die op het oppervlak blaast en van getijden die interne golven aandrijven die breken over ruwe zeebodemtopografie, waarbij grootschalige energie wordt omgezet in kleinschalige turbulentie.