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WS 2013/14 63-734/35/36/37 Prozesse
Detlef Quadfasel [email protected]: 42838 5756 2. Stock
Carsten Eden [email protected]: 42838 7623 4. Stock
Lars Czeschel [email protected]: 42838 7487 4. Stock
http://www.ifm.zmaw.de/de/mitarbeiter/detlef-quadfasel/teaching
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?
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Instabilitäten auf verschiedenen Skalen
Instabilitäten
•Konvektion
•brechende Interne Wellen
•barokline Instabilitäten
Handwerkszeug und Material
Theorie: Bewegungsgleichungen, Bleistift und ein Stück Papier
GeostrophieEkman
Seim und Fer, 2011
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Handwerkszeug und Material
Laborexperimente:rotierende und nicht-rotierende Tanks
Strömung an einem Abhang
brechende Interne Wellen
inflow
Draufsicht
starker Dichtekontrast
Handwerkszeug und Material
• Meso-skalige Wirbel werden in und
über der Overflow-Plume beobachtet.
Voet, 2010
Girton, 2003
Beobachtungen: In-situ und mit Hilfe von Fernerkundung
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Handwerkszeug und Material
Numerische Modelle: Computer und MIT General Circulation Model
Zerfall eines großen Wirbels
Thema 1
Konvektion
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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
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Atmosphärische Zirkulation
Zonale Winde
Tropopause T-min 12 km
Troposphäre
Konvektion
S
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Auftrieb
Atmosphärische Zirkulation
Meridionale Winde
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Ozeanzirkulation
Abkühlung Erwärmung Abkühlung Niederschlag Verdunstung Niederschlag
Zurück zur Sonne
S
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Wie würde die Sonne scheinen ohne Konvektion ?
http://www.iwf.de/iwf/do/mkat/details.aspx?GUID=444C4755494400B9D8364493893800DBCC299C0301030061F44C86BC00000000
Göran Scharmer und Mats Löfdahl (Institute for Solar Physics der Königlich-Schwedischen Akademie der Wissenschaften)
Wahrscheinlich gar nicht, sie würde explodieren.
Aufbau der Sonne
Gleichmäßiges Aufsteigen oder Absinken ist nicht möglich
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Konvektion im Ozean
CTD Messungen mit ARGO Floats
Rayleigh-Benard Konvektion
Marshall & Plumb, 2008
Fluid hoher Viskosität
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Thema 2
Instabilitätengeostrophisch
balancierterStrömungen
Globale Zirkulation
Schmitz, 1995
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Ekman pumping und Sverdrup Zirkulation
Ekman pumping wE = (rot τ)/ρf
Sverdrup Balance βV = fo ∂w/∂z
Sverdrup Transport V = (rot τ)/ βρ
Prater, 2007
Westliche Randströme
Cushman-Roisin, 1994
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Golfstrom
Richardson, Science (1980)
SST satellite image, from U. Miami RSMAS
Modell Golf Strom
CIMAS Miami
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Surface current speeds
Bildung von Ringen
Coastal Carolina University
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Bildung von Ringen
Coastal Carolina University
Bildung von Ringen
Coastal Carolina University
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Bildung von Ringen
Coastal Carolina University
Bildung von Ringen
Coastal Carolina University
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Bildung von Ringen
Coastal Carolina University
Barocline Rossby Wellen
Cushman-Roisin, 1994
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Barotrope Instabilitäten
Cushman-Roisin, 1994
Barokline Instabilitäten
UK RapidCushman-Roisin, 1994
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Thema 3
Brechende Interne WellenK.-H. Instabilitäten
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Overflow der Dänemarkstrasse
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20
39Greenland Ireland
100 km
Greenland Iceland
Dänemark Straßeϴ ~ - 0.5°C, S ~ 34.85
2000 km
1000 km südlichϴ ~+1.5°C, S ~ 34.95
Vermischung im Overflow
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Voet & Quadfasel, 2010
Fischer et al., subm.
Obs.Model
Rühren durch Wirbel
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21
41
Less intense but continuing entrainment Strongentrainment
Voet & Quadfasel, 2010
Vermischung entlang des Weges
42
V. van Gogh, 1889
Vertikale Vermischung
Kelvin-Helmholtz Instabilitäten
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22
43
Kelvin-Helmholtz Instabilitäten
44
1
2
3
MERIAN MSM 21POSEIDON PO 451
CTD/lADCP/MicroStructureMoorings
AUV CTD & MSS
Vermischungs-Experiment
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Hydrographie
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Hydrographie: 3 Tage zoom
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Dissipation rate at top edge of DS overflow plume three orders of magnitude greater than background value (ε: 10-9 → 10-6 W / Kg)
Comparable values measured by AUV crossing horizontal edges of plume(for further details, see Paka et al, 2013, Ocean Sci. Discuss.)
Mikrostrukturprofile
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Schaffer (2013)
AUV equipped with ADCP, CTD and Microstructure probes.
Mikrostruktur vom AUV
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49
Interne Wellen und Dissipation
Programm für das Semester
Heute: Einführung in die VeranstaltungBesuch 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.
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Programm für das Semester
Heute: Einführung in die VeranstaltungBesuch Tanklabor
29.10.: Vorlesung: Barokline InstabilitätenEinführung in das MITgcm
5.11.: Vorlesung: Konvektion & KH InstabilitätenMITgcm
12.11.: Vorlage der Arbeitspläne, schriftlich und VortragBeginn 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