Turbulencia en el océano

Turbulencia en el Océano Angel Rodríguez Santana Grupo I+D OFYGA: Observación y Modelización de Fenómenos Geofísicos y Marinos Departamento de Física, Universidad de Las Palmas de Gran Canaria Ciencia Compartida, 21 de abril de 2014 Desarrollo: 2.- Difusividad turbulenta vertical: 2.1.- desde la estructura fina 2.2.- desde la microestructura 1.- Turbulencia y Mezcla vertical en el Océano 3.- La mezcla vertical y la Circulación Oceánica Global 4.- Conclusiones Turbulencia y de Mezcla Vertical en el Océano Difusión turbulenta Transición a la turbulencia: Número de Reynolds: Término inercial no lineal / Término viscoso  LU Re Re: 600 - 2000 Descomponemos el campo de la propiedad y el campo de velocidades:  ww ~ wvv ~ vuu ~ uCC ~ C 0  'C C ~ C 0  'u u ~ u 0  'v v ~ v 0  'w w ~ w Flujos difusivos turbulentos: )Cw,Cv,Cu()F ~ ,F ~ ,F ~ (F ~ ztCytCxtCtC   z ~ KF zz     'w'Fz 'v'Fy 'u'Fx x ~ KF xx     y ~ KF yy     Difusión horizontal Difusión vertical Anisotropía   1263 zsm1010K     1214 yx sm1010K,K   Estimación de Kz   2263 zsm1010K   En la termoclina: Difusión vertical inducida por la cizalla vertical del flujo. Parametrizaciones en función del número de gradiente de Richardson, Ri.  2 2 2S N g Ri z v z      Munk y Anderson (1948) , Pacanowski y Philander (1981), Ueda et al. (1981), Turner (1986), Peters et al. (1988), Pelegrí y Csanady (1994), RodríguezSantana et al, (1999). a) Inducida por cizalla vertical del flujo: 2.1.- Difusividad turbulenta vertical desde la estructura fina: Kz(Ri) Ri Kz Inestabilidades Kelvin-Helmholtz Dedos de Sal z T  z S  z z S T R   (razón de estabilidad) z T Tz  z S Sz   Coeficiente de expansión térmica Coeficiente de contracción halina 0Tz 0Sz z z    0 z   S T k k R1   b) Inducida por doble difusión Coeficiente de difusión molecular térmica Coeficiente de difusión molecular para la sal 2 S T10 k k T k S k T1 S1 T2 S2 T3 S3 T1 S1S1 > S2> S3 T1 > T2> T3 T2 S1 Algunos trabajos a) Corriente del Golfo (Rodríguez-Santana et al 1999) I , l' ¡:: I ~' ,' tV Norlh Carolina : • • • 1 78°W d" tancc (Km) Log (Ri) Kz ≈1 cm2 s-1 (Rodríguez-Santana et al 1999) b) Frente de Cabo Verde 0 100 200 300 400 500 600 700 800 distancia (km) -600 -500 -400 -300 -200 -100 z (m) AB AB Temp. Potencial (ºC) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 distancia (km) -600 -500 -400 -300 -200 -100 z (m) AB Salinidad (Martínez-Marrero, Rodríguez-Santana, et al 2008) AB Log (Ri) A B Log (kz) (kzm2s-1) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 distancia (km) -600 -500 -400 -300 -200 -100 z (m) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 distancia (km) -600 -500 -400 -300 -200 -100 z (m) Log (kz) (kzm2s-1) density ratio (Rρ) ABAB 2.- Difusividad vertical desde la microestructura: Energía cinética turbulenta media: qvvwuvw 22222    . Tasa de disipación viscosa de la energía cinética turbulenta media: 2 2              i j j i x u x u            2 2/15 dz du  Isotropía  1 2 1 2 221       tqwv v zwb zww vv wp() ~ .                     Términos: wv    1º término: Trabajo de sobre la cizalla del flujo medio. Producción de energía cinética turbulenta por cizalla. 2º término: Ritmo de energía cinética turbulenta perdida en la realización del trabajo en contra del gradiente de densidad estable. 3º término: Redistribución vertical de la energía cinética turbulenta 4º término: Tasa de disipación viscosa de la energía cinética turbulenta. FB< 0 (término sumidero en fluidos estratificados estables)  1 2 1 2 22221       tqwu u zwb zwu v w wp() ~                    )/ ~ (zuuw bw Rf     Número de flujo de Richardson FB 0 ~  z u uw   (término fuente) Panosfky y Dutton (1984) determinaron un Rfcr 0.25. f v mR K K Ri  Relación entre Riy Rf: Turbulencia estacionaria y homogénea:  wu u zwb   ~ f RRi  Escalas Microescala de Kolmogorov:Eslaescalaespacialdelosremolinos turbulentos más pequeños. 4/1 3             Escala de Ozmidov: Debido a la estratificación hay una restricción a los remolinos turbulentos más grandes en la picnoclina. La escala de Ozmidov vendrá dada por el tamaño de los remolinos turbulentos más grandes en medios estratificados.         2/3 2/1 0N L  Sup. mar ρ1 ρ3 ρ4 ρ5 ρ6 ρ2 400 m 0 m 100 m Zonas de turbulencia canoa3-3 (14:08 – 14:20) 30 m 25 m No mezclada 7/11/2008 10.9 10. 8 € [W/kg] -250 :5 OQ) o -- ------~----------------------~ -- -300 O -300 ---------- -------~----------- I -350 -400 -450 -400 -- -- I I I -500 ......................... ........";;;;¡;;;,,¡,..¡, .................................................................................... ........,...,.....a.....,¡;,, .......... ~ 12 14 16 18 20 Temperature [oC] (solid) , , I ' I ' I ' , , , I ' , , , I I ' I , I I I I ' I , I I , I I ' , I I I , I 1026 1027 1028 1029 1030 Density kg/m 3 (dotted) I , I , , I I I , I ' , , , , t t I , I 35 .6 35 .8 36 36 .2 36 .4 36 .6 Salinity [PSU] (dashed) Data: .- 59 XBT (53 T5, 6 T6, 2 T7 ) .- 2 XCP .- 26 CTD (max. 2000 m) .- 21 Nutrients .- 19 TurboMAP .- 25 BAKLÁN Proyecto PROMECA Profiler TurboMAP (ULPGC) Profiler BAKLÁN (SIO – AB) B/O García del Cid Ship: B/O García del Cid Imágenes de Satélite SSTVisible Transecto B (T ºC) B A B A 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 -10,00 -9,00 -8,00 -7,00 station 36 log(ε) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 -10,00 -9,00 -8,00 -7,00 station 40 log(ε) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 1234 Rρ 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 1234 Rρ z (m)z (m) B A 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 -10,00 -9,00 -8,00 -7,00 station 36 log(ε) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 -10,00 -9,00 -8,00 -7,00 station 40 log(ε) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 0,1 0,2 0,3 0,4 Lo (m) z (m) z (m) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 0,1 0,2 0,3 0,4 Lo (m) B A0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 -10,00 -9,00 -8,00 -7,00 log(ε) Station 44 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 1234 Rρ z (m) Circulación Termohalina 3.- La mezcla vertical y la Circulación Oceánica Global SAMW AAIW RSOW AABW Su nla rel ie Mode Water Antaretle I ntermed.cto Water Red Sea Overflow Wate r Ant retie Bottom Water NPDW AAC CDW NADW UPPERIW IODW Nonh P el IC Deep Water Antaretic C irc umpolar Current Circumpolar Doop Wa t er Norlh AlIantlc ep Wa t r Upper Intermed i ale Water Indlan Ocean deep Water Flgu r6 1:1 .21 A hr tI-tlhlltlllblonal perapeclívc viow 01 Ih rmohaline n"w Thl'l rad arrOWS show Ilow paths in Ihe shallow and Intermedlate depth . Green end blue arrows show t palhs lor the de p oc n and boltom flows . respecllvely . Oran e represents the very salty , VI rm ater lIowl ng out 01 t he Red Sea . and purplo I nd .catas n ar-surfae Circula ion The ribbons and ar rows in th.s diagram do no re pr sent dlsllnc! cur! nlS bu! rat er deplet generelizad flow pathways 01 salt and he t transport o Not e peciaUy he Inte r locked eonnecuons be t ween ocean b slns nd depths , and (he eomplex lormahon 01 An t aretie Bottom Water (AAB fIf). Th is graph lc represents decades 01 work by many researehers. bUl speclal mention should be maCIa 01 the contributions 01 Wallacc Broeckor. Wílli m Schmitz , and J ck Coo\< ¿Cómo se comportan los modelos de circulación global si variamos Kz? MIT Joint Program on the Seienee and Poliey of Global Change Sen itivity of Climate to Diapyenal Diffu ivity in the Oeean Part 1: Equlllbrllm Sratf. Part 11 : Global lVarmlng Sanarlo R~tNo . I09 M~1004 F abio Da lan· Pe ter H. tone. Iaor ame lllc o ~ ich: and Jeffe - co t Experimento de calentamiento global: Incrementar el CO2en la atmósfera a un ritmo del 1% por año durante 75 años. .- valores medios de kz : 1 cm2s-1 ( Munk 1966; Munk et al 1998) .- Termoclina: difusividades turbulentas medias en el rango 0,1 – 0,3 cm2 s-1 (Ledwell et al 1993; Ledwell et al 1998). .- Zonas abisales con batimetría irregular: valores en torno a 10 cm2s-1 ( Polzin et al 1997; Ledwell et al 2000) Observaciones y parametrizaciones de kza nivel general. Observaciones: Inferencias desde balances globales: Parametrizaciones: a) Uniforme b) Perfil tipo arcotangente (Bryan and Lewis, 1979) c) Perfil variable donde se incluye efectos mareales (Simmons et al 2004) Valor medio de 0,9 cm2s-1 aplicado a la componente oceánica del modelo climático de la Universidad de Victoria. (Simmons et al 2004) 10 % > 5 cm2s-1 .- A escala global se debe tener en cuenta los procesos de mezcla vertical. Hay que seguir investigando la sensibilidad de dichos modelos con el coeficiente de difusividad vertical. .- Las comparaciones de los valores de difusividad vertical utilizando los diferentes métodos debe hacerse teniendo en cuenta las fuentes de la turbulencia y las escalas espaciales y temporales. .- La mezcla vertical, y de aquí el coeficiente kz, se puede estimar utilizando varios métodos: distribución de las propiedades promedias, microestructura y balances en modelos de advección-difusión. 4.- Conclusiones Grupo I+D OFYGA Otras líneas de investigación: .- Oceanografía regional: Estructuras mesoescalares, transportes geostróficos, etc .- Simulaciones en Mesa Rotatoria: Corrientes de gravedad, etc .- Contaminación Marina .- Geofísica Aplicada