Numerische Simulationen zeigen, dass die hydrodynamische Reibung an den Küsten eine entscheidende Rolle bei der Erklärung der Stabilisierung der mittleren Strömung des Ozeans im Nordatlantik spielt.
Im Ozean sind die Energiequellen gut bekannt, da sie hauptsächlich durch die Einwirkung der vorherrschenden Winde auf das Meer entstehen, und in geringerem Maße durch Strömungen, die durch Temperatur- oder Salzgehaltsunterschiede erzeugt werden. So wird die ozeanische Zirkulation im Nordatlantik im Durchschnitt durch eine großräumige, uhrzeigersinnige Wirbelströmung beschrieben, die Nordatlantik-Gyre (von der der Golfstrom eine Komponente ist), welche sich mit den Passatwinden, die in Richtung Westen nahe dem Äquator wehen, und den westlichen vorherrschenden Winden in unseren Breitengraden überlagert.
Die Identifizierung der Regionen, in denen die Energie dissipiert wird, bleibt jedoch ein weitgehend offenes Problem, da die Dissipationsprozesse in den kleinen Skalen der Strömung stattfinden, die selbst das Ergebnis der turbulenten Kaskade sind, die die in großem Maßstab eingebrachte Energie auf komplexe Weise zu den kleinsten Skalen umverteilen soll.
Um die Rolle der Küsten in diesen Dissipationsprozessen zu untersuchen, revisitierten Forscher des Physiklabors der ENS Lyon (LPENSL, CNRS / ENS Lyon) und des Instituts für Geowissenschaften und Umwelt (IGE, CNRS / INRAE / IRD / Universität Grenoble Alpes) ein klassisches Modell, das die Entstehung ozeanischer Gyres mit an der Westseite verstärkten Strömungen wie dem Golfstrom im Nordatlantik oder dem Kuroshio im Pazifik beschreibt. Dieses Modell beschreibt eine zweidimensionale, durch Winde angetriebene Strömung, eine Vereinfachung, die durch den Aspektverhältnis eines Ozeans (Dicke geteilt durch charakteristische seitliche Länge) gerechtfertigt ist, das dem eines Blatt Papiers auf planetarer Ebene ähnelt.
Mit Hilfe numerischer Simulationen zeigen die Forscher, dass die ozeanischen Gyres in der Grenze, wo die viskosen Dissipationsterme sehr klein sind, bestehen bleiben, mit einer Dissipationsrate, die konstant bleibt, unabhängig vom Wert der Viskosität des Fluids. Dieses Phänomen der dissipativen Anomalie ist in dreidimensionalen Raumströmungen gut bekannt, aber im Kontext einer zweidimensionalen Strömung überraschend.
Der Ozean wird als quadratisches ozeanisches Becken von 5000 km Seite modelliert, eine idealisierte physikalische Version des Nordatlantiks.
Links: In der Grenze geringer Dissipation erscheint der Ozean jederzeit als ein Meer aus Wirbeln.
Rechts: Wenn diese Strömung über sehr lange Zeiten gemittelt wird, verschwinden die Wirbel und man findet eine an der Westseite verstärkte ozeanische Gyre wieder.
Die Farben codieren die Drehrichtung der Wirbel.
© Lennard Miller, Bruno Deremble und Antoine Venaille / IGE / Grenoble, LPENSL / CNRS.
In der Tat destabilisieren sich in drei Dimensionen große Wirbel und erzeugen kleinere Wirbel und so weiter, bis sie die dissipativen Skalen sehr effizient erreichen. In zwei Dimensionen, solange es keine seitlichen Wände gibt, ist bekannt, dass ein umgekehrtes Phänomen auftritt: Kleine Wirbel verschmelzen zu großen, sehr stabilen Wirbeln, bis sie einen riesigen Wirbel bilden, der das gesamte ozeanische Becken einnimmt, wobei die gesamte Energie kontinuierlich zunimmt aufgrund einer ineffizienten Dissipation.
Um das Entstehen eines solchen unrealistischen Wirbels zu vermeiden, müssen in existierenden Ozeanmodellen daher 3D-Effekte berücksichtigt oder Dissipationsterme wie die Reibung mit dem Meeresboden hinzugefügt werden.
Diese Studie zeigt erstmals, dass solche gigantischen Wirbel sich nicht in 2D-Ozeanmodellen bilden können, die seitliche Wände berücksichtigen, an denen die Geschwindigkeit null wird: Die energiearmen ozeanischen Gyres bestehen weiter, überlagert von einem kräftigen Gas aus lokalisierten und intensiven Wirbeln, die entlang der Küsten entstehen. Es ist daher nicht notwendig, einen zusätzlichen Dissipationsmechanismus heranzuziehen, um die Stabilisierung der Gyreströmungen in einem turbulenten Regime zu erklären.
Diese Arbeit ist ein erster Schritt zur Untersuchung des ozeanischen Energiezyklus in realistischeren Modellen, die die Schichtung des Ozeans berücksichtigen. Sie wurde in der Zeitschrift Physical Review Fluids veröffentlicht.
Referenz:
Gyre turbulence: Anomalous dissipation in a two-dimensional ocean model,
Lennard Miller, Bruno Deremble und Antoine Venaille, Physical Review Fluids, veröffentlicht am 3. Mai 2024.
Doi: 10.1103/PhysRevFluids.9.L051801
Offenes Archiv: arXiv
Im Ozean sind die Energiequellen gut bekannt, da sie hauptsächlich durch die Einwirkung der vorherrschenden Winde auf das Meer entstehen, und in geringerem Maße durch Strömungen, die durch Temperatur- oder Salzgehaltsunterschiede erzeugt werden. So wird die ozeanische Zirkulation im Nordatlantik im Durchschnitt durch eine großräumige, uhrzeigersinnige Wirbelströmung beschrieben, die Nordatlantik-Gyre (von der der Golfstrom eine Komponente ist), welche sich mit den Passatwinden, die in Richtung Westen nahe dem Äquator wehen, und den westlichen vorherrschenden Winden in unseren Breitengraden überlagert.
Die Identifizierung der Regionen, in denen die Energie dissipiert wird, bleibt jedoch ein weitgehend offenes Problem, da die Dissipationsprozesse in den kleinen Skalen der Strömung stattfinden, die selbst das Ergebnis der turbulenten Kaskade sind, die die in großem Maßstab eingebrachte Energie auf komplexe Weise zu den kleinsten Skalen umverteilen soll.
Um die Rolle der Küsten in diesen Dissipationsprozessen zu untersuchen, revisitierten Forscher des Physiklabors der ENS Lyon (LPENSL, CNRS / ENS Lyon) und des Instituts für Geowissenschaften und Umwelt (IGE, CNRS / INRAE / IRD / Universität Grenoble Alpes) ein klassisches Modell, das die Entstehung ozeanischer Gyres mit an der Westseite verstärkten Strömungen wie dem Golfstrom im Nordatlantik oder dem Kuroshio im Pazifik beschreibt. Dieses Modell beschreibt eine zweidimensionale, durch Winde angetriebene Strömung, eine Vereinfachung, die durch den Aspektverhältnis eines Ozeans (Dicke geteilt durch charakteristische seitliche Länge) gerechtfertigt ist, das dem eines Blatt Papiers auf planetarer Ebene ähnelt.
Mit Hilfe numerischer Simulationen zeigen die Forscher, dass die ozeanischen Gyres in der Grenze, wo die viskosen Dissipationsterme sehr klein sind, bestehen bleiben, mit einer Dissipationsrate, die konstant bleibt, unabhängig vom Wert der Viskosität des Fluids. Dieses Phänomen der dissipativen Anomalie ist in dreidimensionalen Raumströmungen gut bekannt, aber im Kontext einer zweidimensionalen Strömung überraschend.
Der Ozean wird als quadratisches ozeanisches Becken von 5000 km Seite modelliert, eine idealisierte physikalische Version des Nordatlantiks.
Links: In der Grenze geringer Dissipation erscheint der Ozean jederzeit als ein Meer aus Wirbeln.
Rechts: Wenn diese Strömung über sehr lange Zeiten gemittelt wird, verschwinden die Wirbel und man findet eine an der Westseite verstärkte ozeanische Gyre wieder.
Die Farben codieren die Drehrichtung der Wirbel.
© Lennard Miller, Bruno Deremble und Antoine Venaille / IGE / Grenoble, LPENSL / CNRS.
In der Tat destabilisieren sich in drei Dimensionen große Wirbel und erzeugen kleinere Wirbel und so weiter, bis sie die dissipativen Skalen sehr effizient erreichen. In zwei Dimensionen, solange es keine seitlichen Wände gibt, ist bekannt, dass ein umgekehrtes Phänomen auftritt: Kleine Wirbel verschmelzen zu großen, sehr stabilen Wirbeln, bis sie einen riesigen Wirbel bilden, der das gesamte ozeanische Becken einnimmt, wobei die gesamte Energie kontinuierlich zunimmt aufgrund einer ineffizienten Dissipation.
Um das Entstehen eines solchen unrealistischen Wirbels zu vermeiden, müssen in existierenden Ozeanmodellen daher 3D-Effekte berücksichtigt oder Dissipationsterme wie die Reibung mit dem Meeresboden hinzugefügt werden.
Diese Studie zeigt erstmals, dass solche gigantischen Wirbel sich nicht in 2D-Ozeanmodellen bilden können, die seitliche Wände berücksichtigen, an denen die Geschwindigkeit null wird: Die energiearmen ozeanischen Gyres bestehen weiter, überlagert von einem kräftigen Gas aus lokalisierten und intensiven Wirbeln, die entlang der Küsten entstehen. Es ist daher nicht notwendig, einen zusätzlichen Dissipationsmechanismus heranzuziehen, um die Stabilisierung der Gyreströmungen in einem turbulenten Regime zu erklären.
Diese Arbeit ist ein erster Schritt zur Untersuchung des ozeanischen Energiezyklus in realistischeren Modellen, die die Schichtung des Ozeans berücksichtigen. Sie wurde in der Zeitschrift Physical Review Fluids veröffentlicht.
Referenz:
Gyre turbulence: Anomalous dissipation in a two-dimensional ocean model,
Lennard Miller, Bruno Deremble und Antoine Venaille, Physical Review Fluids, veröffentlicht am 3. Mai 2024.
Doi: 10.1103/PhysRevFluids.9.L051801
Offenes Archiv: arXiv
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