Turbulencia en el océano - University of Las Palmas de Gran Canaria · 2020-02-26 · Trabajo de...
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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~C0
'u
u~u0
'v
v~v0
'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
1263z sm1010K
1214yx sm1010K,K
Estimación de Kz 2263z sm1010K
En la termoclina:
Difusión vertical inducida por la cizalla vertical del flujo. Parametrizaciones en función del número de gradiente de Richardson, Ri.
2
2
2 SNg
Rizv
z
Munk y Anderson (1948) , Pacanowski y Philander (1981), Ueda et al. (1981), Turner (1986), Peters et al. (1988), Pelegrí y Csanady (1994), Rodríguez-Santana 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
zT
zS
z
z
STR
(razón de estabilidad)
zTTz
zSSz
Coeficiente de expansión térmica
Coeficiente de contracción halina
0Tz
0Sz zz
0z
S
T
kkR1
b) Inducida por doble difusión
Coeficiente de difusión molecular térmica
Coeficiente de difusión molecular para la sal
2
S
T 10kk
Tk
Sk
T1S1
T2S2
T3S3
T1S1 S1 > S2 > S3
T1 > T2 > T3
T2S1
Convectivo Difusivo
zSzT
z
z
STR
0Tz
0Sz 0z
1Rkk
T
S
Tk Coeficiente de difusión molecular térmica
Sk Coeficiente de difusión molecular para la sal
2
S
T 10kk
Inducida por doble difusión
T1S1
T2S2
T3S3
S2 S1 < S2 < S3
T1 < T2 < T3
T2S2
T1
T3S1
Intrusions and fingers. (A) Salinity versus depth and latitude for the equatorial Pacific. (B) Salinity anomaly (salinity minus a smoothed average) for the cross section shown in (A). Individual layers can be seen and tracked horizontally. (C) Density anomaly calculated from measured salinity, temperature, and pressure in a manner similar to that in (B). (D) The Turner angle (a measure of the tendency of the water column toward double diffusion) indicates the possibility of salt fingering (red) or diffusive convection (blue). (E) Salt fingers visualized with fluorescein in a laboratory demonstration. (F) Diffusive convection in a laboratory experiment, showing sharp interfaces (dark and light bands) from which convecting fluids rise as (barely visible) dark plumes.
Ruddick, 2003
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
)
A B
A BTemp. Potencial (ºC)
0 100 200 300 400 500 600 700 800
distancia (km)
-600
-500
-400
-300
-200
-100
z (m
)
A BSalinidad
(Martínez-Marrero, Rodríguez-Santana, et al 2008)
A BLog (Ri) A BLog (kz) (kz m2 s-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) (kz m2 s-1)density ratio (Rρ) A B A B
2.- Difusividad vertical desde la microestructura:
Energía cinética turbulenta media:
q v v w u v w2 2 2 2 2
.
Tasa de disipación viscosa de la energía cinética turbulenta media:
2
2
i
j
j
i
xu
xu
2
2/15dzdu
Isotropía
12
12
2 2 1
t
q w vvz
w bz
w w v v w p( )~
.
Términos:
w v
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 larealización del trabajo en contra del gradiente de densidadestable.
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)
12
12
2 2 2 2 1
t
q w uuz
w bz
w u v w w p( )~
)/~( zuuwbwRf
Número de flujo de Richardson
FB
0~
zuuw
(término fuente)
Panosfky y Dutton (1984) determinaron un Rfcr 0.25.
fv
m RKKRi Relación entre Ri y Rf :
Turbulencia estacionaria y homogénea:
w uuz
w b
~
fRRi
Escalas
Microescala de Kolmogorov: Es la escala espacial de los remolinosturbulentos más pequeños.
4/13
Escala de Ozmidov: Debido a la estratificación hay una restricción alos remolinos turbulentos más grandes en la picnoclina. La escala deOzmidov vendrá dada por el tamaño de los remolinos turbulentos másgrandes en medios estratificados.
2/3
2/1
0 NL
La degeneración de la turbulencia en fluidos estratificados tiene lugarhasta que la escala de longitud externa de la turbulencia, L0, se hagaigual a la escala de la longitud interna, η, cuando no hay fuente deenergía que mantenga la turbulencia.
4/3
2
4/132/1
30 //
NNLI
Índice de isotropía:
2002
N Se dan condiciones de isotropía
(Gargett et al, 1984)
Difusividad turbulenta vertical a partir de ε.
2NK
Suposición: Balance entre producción por cizalla, disipación turbulenta yflujo de flotabilidad.
(Osborn, 1980)
Factor de eficiencia:
2.01
f
f
RR
Perfilador de Microestructuras Turbulentas
Medir turbulencias a escalasde centímetros: medir
Sup. mar
ρ1
ρ3
ρ4
ρ5
ρ6
ρ2
Zonas de turbulencia
Perfilador de Microestructuras Turbulentas
400 m
0 m
Proyecto CANOA colaboración ICM - CSIC
(Pelegrí et al 2005; Pelegrí et al 2005b))
31°N t±====:::::í===::! 11.5°W
Campaña CANOA: Nov 2008
B/O Sarmiento de Gamboa
Sup. marρ1
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 mezclada7/11/2008
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/m3 (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 36log(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
1 2 3 4
Rρ
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
1 2 3 4Rρ
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 36log(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 0,4Lo (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
1 2 3 4
Rρ
z (m
)
B
A0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
-10,00 -9,00 -8,00 -7,00
log(ε)Station 44
z (m
)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 0,1 0,2 0,3 0,4Lo (m)
Rodríguez-Santana et al, 2014 en prep
Lo : Escala de Ozmidov
Mixing layer: solid line
Mixed layer: dashed lineEstrada-Allis, Rodríguez-Santana et al 2014 en prep
Arcos-Pulido, Rodríguez-Santana et al 2014
P (1) =l -P(1)
O 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
80
-, I
-,
-,
-170
-, = -,
~ - ~
-,
270 -:::¡¡;
- ~ ]: -,
:~ ~
~ lO -, e
370 - , o-----==. -.
-, -. , -~ -,
~ -,
470 -, "'1!!1
-, -,
: =
-, 3 ~
570
600 -
finvers (Pi) IlJrbulence (PI} -- spalial desvesl
Fig. 5. Average contribution of salt ñngers (Iight gray) and turbulence (dark gray) to total mixing in the water column. The continuous line depicts the ñne-structure scale standard deviation at each depth level (intervals 10 m~
s-1) Rp Log10 (Ri)
1.5 2 ·10 O 1.9 5 10 O 0,5 2 3
b 50
e d
~ 100
~ 150
200
250
300
350
.~ 400 ~
~ 450 + =CI95% ~ + : CI95'11o
500 )( ln"
S-3), thermal variance ex, ' C S- I ), density ratio (Rp ) and Richardson's number log 10 (Rr).
Otros Estudios
Macías D., A. Rodríguez-Santana et al, 2013
Kv (m2 , tI
o »6 10-5 20-5 2.,.5 Jo.5 :le·S
PI
.50 OC, ~ .6() OC~
3¡ON ~-------.
i g ~
i5. ~ ~ · tOO ·100
30'
30' ·t50 · 150
3~7 6-'1 VS.7 t .~
Flvor_(fU) Log10
t (m2, .])
b Antarctic
Kv(m2 s 'l
00 4 oe-6 8 De-6 1 2e-5 1 6eo5 O O
Antarctic * ** (n-;29) .' -:
·50
E g: "'1'" .. 5' OC',,- 5
! D~~ ! . 0
·tOO
n and num r O _ ~7 ~7 :'7 •• 7
Log1Q S (m2 s.J) 108 ( U,
Sangrá et al 2014
Mezcla diapicna inducida por oscilaciones diurno-inerciales
Aguiar-González, Rodríguez-Santana et al 2012
24 '
18'
Q) 'O
=ª '$ -'
12'
6'
a 0 9 (kg 'm-3) b N2 (5- 2)
26.526.6 26.7 26.8 26.9 27
10 20 30
I 40
~ 50
a. 60 (1)
o 70 80 90
100 . . .
07-Apr-2004 20:55:00 . . , 13-A r-200417'37'00
¡---\ 9
ADCP: 4- 14 April Anderaa Meteorological Buoy: 4-13 April
• CTD Station A: 4 April • CTD Station B: 7,8 April • CTD Station C: 9- 10 April • CTD Station D: 12 April • CTD Station E: 13 April
) 10'
9°W
Longitude
10 20 30 ..
E 40
o 0.5 1 1.5 2
. . . . ...... . . . ......... . .
.s= a. (1)
50 .. .. .. -: ..... ; .... -: ...... : ..
o 60 70 .. 80 90
100
50' 40'
e
-E ....... .s= a. (1)
o
o 10 .- ...... _ ..... _ . ... . _ ...... _ .
20 30 40 50 60 70 80 90
100
. .
" . 07":Apr-2004 21 ioo:oo :
418'00:00 .
5 d
-E ....... .s= a. (1)
o
Log10Ri
-2 -1 o 1
10 20 30 40 50 60 70 80 90
100
2 3
Circulación Termohalina
3.- La mezcla vertical y la Circulación Oceánica Global
SAMW AAIW RSOW AABW
Su nlarel ie Mode Water Antaretle Intermed.cto Water Red Sea Overflow Water Ant retie Bottom Water
NPDW AAC CDW NADW UPPERIW IODW
Nonh P el IC Deep Water Antaretic C ircumpolar Current Circumpolar Doop Water Norlh AlIantlc ep Wat r Upper Intermediale Water Indlan Ocean deep Water
Flgur6 1:1 .21 A h r 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 lIowlng out 01 the Red Sea. and purplo Ind.catas n ar-surfae Circula ion The ribbons and arrows
in th.s diagram do no repr sent dlsllnc! cur! nlS bu! rat er deplet generelizad flow pathways 01 salt and he t transport o Not e peciaUy he Interlocked eonnecuons between ocean b slns nd depths, and (he eomplex
lormahon 01 Antaretie Bottom Water (AAB fIf) . This graphlc 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 decirculación 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 Dalan· Pe ter H. tone. Iaor amelllco ~ich: and Jeffe -co t
Experimento de calentamiento global:
Incrementar el CO2 en la atmósfera a un ritmo del 1% por año durante 75 años.
.- valores medios de kz : 1 cm2 s-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 cm2 s-1 ( Polzin et al 1997; Ledwell et al 2000)
Observaciones y parametrizaciones de kz a 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 cm2 s-1 aplicado a la componente oceánica delmodelo 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 mezclavertical. Hay que seguir investigando la sensibilidad de dichos modeloscon el coeficiente de difusividad vertical.
.- Las comparaciones de los valores de difusividad vertical utilizando losdiferentes métodos debe hacerse teniendo en cuenta las fuentes de laturbulencia y las escalas espaciales y temporales.
.- La mezcla vertical, y de aquí el coeficiente kz, se puede estimarutilizando 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
Muchas Gracias