63-734/35/36/37 Prozesse

Transkript

1 WS 2013/14 Detlef Quadfasel Carsten Eden Lars Czeschel /35/36/37 Prozesse Tel: Stock Tel: Stock Tel: Stock Ziel der LV: (Zitat aus Modulbeschreibung) Teilnehmer werden ihre Kenntnis von relevanten ozeanischen Prozessen in rotierenden und nicht-rotierenden Systemen anhand von Theorie, numerischer Modellierung, Analyse von Beobachtungsdaten sowie in Tankexperimenten vertiefen. Beispielthemen beinhalten: Interne Wellen, Austausch durch Meeresstraßen, Konvektion, Instabilitäten geostrophischer Strömungen, Stabilität der thermohalinen Zirkulation, Hangströmungen Angebot des Semesters Instabilitäten Konvektion brechende Interne Wellen barokline Instabilitäten Was passiert mit einer infinitesimalen Störung eines Systems? Wächst die Störung oder wird sie kleiner und der alte Zustand stellt sich wieder ein? 1

2 Instabilitäten auf verschiedenen Skalen Instabilitäten Konvektion brechende Interne Wellen barokline Instabilitäten Handwerkszeug und Material Theorie: Bewegungsgleichungen, Bleistift und ein Stück Papier Geostrophie Ekman Seim und Fer,

3 Handwerkszeug und Material Laborexperimente: rotierende und nicht-rotierende Tanks Strömung an einem Abhang brechende Interne Wellen inflow Draufsicht starker Dichtekontrast Handwerkszeug und Material Beobachtungen: In-situ und mit Hilfe von Fernerkundung Girton, 2003 Meso-skalige Wirbel werden in und über der Overflow-Plume beobachtet. Voet,

4 Handwerkszeug und Material Numerische Modelle: Computer und MIT General Circulation Model Zerfall eines großen Wirbels Thema 1 Konvektion 4

5 Warum Konvektion? Warum? Ohne Konvektion wäre die (geophysikalische) Welt langweilig und öde! Wäre die Dichte nur vom Druck abhängig, würden Temperaturanomalien keine Strömungen erzeugen. Strahlungsbilanz S 5

6 Atmosphärische Zirkulation Tropopause T-min 12 km Troposphäre Zonale Winde Konvektion S 6

7 Auftrieb Atmosphärische Zirkulation Meridionale Winde 7

8 Ozeanzirkulation Abkühlung Erwärmung Abkühlung Niederschlag Verdunstung Niederschlag Zurück zur Sonne S 8

9 Wie würde die Sonne scheinen ohne Konvektion? Wahrscheinlich gar nicht, sie würde explodieren. Göran Scharmer und Mats Löfdahl (Institute for Solar Physics der Königlich-Schwedischen Akademie der Wissenschaften) Aufbau der Sonne Gleichmäßiges Aufsteigen oder Absinken ist nicht möglich 9

10 Konvektion im Ozean CTD Messungen mit ARGO Floats Rayleigh-Benard Konvektion Marshall & Plumb, 2008 Fluid hoher Viskosität 10

11 Thema 2 Instabilitäten geostrophisch balancierter Strömungen Globale Zirkulation Schmitz,

12 Ekman pumping und Sverdrup Zirkulation Ekman pumping Sverdrup Balance Sverdrup Transport w E = (rot τ)/ρf βv = f o w/ z V = (rot τ)/ βρ Prater, 2007 Westliche Randströme Cushman-Roisin,

13 Golfstrom SST satellite image, from U. Miami RSMAS Richardson, Science (1980) Modell Golf Strom CIMAS Miami 13

14 Surface current speeds Bildung von Ringen Coastal Carolina University 14

15 Bildung von Ringen Coastal Carolina University Bildung von Ringen Coastal Carolina University 15

16 Bildung von Ringen Coastal Carolina University Bildung von Ringen Coastal Carolina University 16

17 Bildung von Ringen Coastal Carolina University Barocline Rossby Wellen Cushman-Roisin,

18 Barotrope Instabilitäten Cushman-Roisin, 1994 Barokline Instabilitäten UK Rapid Cushman-Roisin,

19 Thema 3 Brechende Interne Wellen K.-H. Instabilitäten Overflow der Dänemarkstrasse 38 19

20 Vermischung im Overflow Dänemark Straße ϴ ~ C, S ~ Greenland 100 km Iceland 1000 km südlich ϴ ~+1.5 C, S ~ Greenland 2000 km Ireland 39 Rühren durch Wirbel Voet & Quadfasel, 2010 Obs. Model Fischer et al., subm

21 Vermischung entlang des Weges Strong entrainment Less intense but continuing entrainment Voet & Quadfasel, Vertikale Vermischung V. van Gogh, 1889 Kelvin-Helmholtz Instabilitäten 42 21

22 Kelvin-Helmholtz Instabilitäten 43 Vermischungs-Experiment MERIAN MSM 21 POSEIDON PO 451 CTD/lADCP/MicroStructure Moorings AUV CTD & MSS 44 22

23 Hydrographie Hydrographie: 3 Tage zoom 46 23

24 Mikrostrukturprofile Dissipation rate at top edge of DS overflow plume three orders of magnitude greater than background value (ε: W / Kg) Comparable values measured by AUV crossing horizontal edges of plume (for further details, see Paka et al, 2013, Ocean Sci. Discuss.) 47 Mikrostruktur vom AUV AUV equipped with ADCP, CTD and Microstructure probes. Schaffer (2013) 48 24

25 Interne Wellen und Dissipation 49 Programm für das Semester Heute: Einführung in die Veranstaltung Besuch Tanklabor Literatur: Benoit Cushman-Roisin (1994) Introduction to Geophysical Fluid Dynamics. Prentice Hall. Kapitel 11 und 16. John Marshall and R Allan Plumb (2007) Atmosphere, Ocean and Climate Dynamics. Elsevier. Kapitel 4, 8 und 7. 25

26 Programm für das Semester Heute: Einführung in die Veranstaltung Besuch Tanklabor : Vorlesung: Barokline Instabilitäten Einführung in das MITgcm 5.11.: Vorlesung: Konvektion & KH Instabilitäten MITgcm : Vorlage der Arbeitspläne, schriftlich und Vortrag Beginn der Arbeiten u.s.w. Struktur Je eine Stunde Seminar, Übungen, Tankexperimente, Vorlesung 09:15 Uhr kurze Berichte der Arbeitsgruppen zu den geleisteten Arbeiten 10:00 Uhr Gruppenarbeit: Tank - Modell - Beobachtungen 12:30 Uhr Diskussion der offenen Fragen Kommunikationsplattform Wiki U-Nummern 26