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WS 2013/14 63-734/35/36/37 Prozesse

Detlef Quadfasel detlef.quadfasel@zmaw.deTel: 42838 5756 2. Stock

Carsten Eden carsten.eden@zmaw.deTel: 42838 7623 4. Stock

Lars Czeschel lars.czeschel@zmaw.deTel: 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

6

Atmosphärische Zirkulation

Zonale Winde

Tropopause T-min 12 km

Troposphäre

Konvektion

S

7

Auftrieb

Atmosphärische Zirkulation

Meridionale Winde

8

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

16

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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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

21

41

Less intense but continuing entrainment Strongentrainment

Voet & Quadfasel, 2010

Vermischung entlang des Weges

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V. van Gogh, 1889

Vertikale Vermischung

Kelvin-Helmholtz Instabilitäten

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43

Kelvin-Helmholtz Instabilitäten

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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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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