Umfassende Profilerstellung rund um den Globus

Abb. 1: Teledyne RDI ADCP an einer hydrographischen Packung vor dem Absenken in große Tiefen. Bildnachweis: J. Lemus (U. Hawaii). https://goo.gl/VfvYn1

Drei Jahrzehnte Hochdruck für abgesenkte ADCPs

Einführung
Seit den unerwarteten Bewegungen der ersten tief treibenden Schwimmkörper haben Ozeanographen daran gearbeitet, den Schleier bei tiefen Strömungen zu heben. Gleichstrommessungen haben verschiedene Gestalten. Neutral schwimmende Schwimmkörper und ihre profilierten Nachkommen zeigten tiefe Bahnen. Stromzähler an Liegeplätzen zeigten zeitliche Änderungen. Frei fallende Sonden ermöglichten eine Profilansicht - Messungen in engem Abstand, die die Geschwindigkeit des Wasserstroms in Abhängigkeit von der Tiefe zeigen. Und niedrigere ADCPs (LADCP) liefern seit Anfang der 1990er Jahre gut aufgelöste Stromprofile mit ganzer Tiefe.

Tiefe Strömungen speichern, transportieren und verteilen wichtige Eigenschaften für das Leben im und aus dem Meer. Zum Beispiel sind der Sauerstoff- und Nährstoffgehalt von entscheidender Bedeutung, wenn die tiefen Gewässer die Nahrungskette des Ozeans versorgen. Bis Mitte der 70er Jahre konkurrierten tiefe Strömungen um die dunkle Seite des Mondes. Angeregt durch Erkenntnisse aus verbesserten Beobachtungen, besteht jetzt ein starkes Interesse daran, wie tiefe Strömungen am globalen Klimasystem teilnehmen. Besonders wichtig ist der wechselnde Wärme- und CO2-Gehalt des tiefen Ozeans.

Es werden Methoden zur Beobachtung der Tiefsee unterhalb der oberen Saisonschicht etabliert. Um tiefe Strömungen zu messen, bringen Wissenschaftler weltweit kompakte ADCPs an hydrographische Pakete an. Diese Pakete werden routinemäßig auf den Meeresboden abgesenkt, um Wasserproben zu sammeln und die Wassereigenschaften zu messen.

In diesem Bericht betrachten wir verschiedene Erkenntnisse aus der LADCP-Arbeit rund um den globalen Ozean. Bei LADCP-Messungen wurden zunächst tiefe Strömungen in äquatorialen Regionen sowie in tropischen und subtropischen Ozeanen untersucht. Zu den Features gehören tiefe Strömungen, Unterströmungen und Wirbel. In jüngster Zeit haben LADCPs wissenschaftliche Studien in hohen Breiten unterstützt, z. B. die Erkundung von Umwälzkreisläufen im subpolaren Nordatlantik und die Berechnung weit verbreiteter intensiver Vermischung im Südpolarmeer.

Hydrographie
Die Schiffs-Hydrographie misst die Wassereigenschaften von der Oberfläche bis zum Meeresboden. Die Ergebnisse resultieren aus der Senkung einer CTD mit kontinuierlichem Profil und dem Sammeln diskreter Wasserproben. Diese „Hydro“ -Konturen sind unübertroffen für die Beobachtung des tiefen Ozeans, insbesondere unter 2000 m. Gleichzeitig offenbart diese Methode Hot Spots für den atmosphärischen Austausch mit dem Ozean.

Die hydrographischen Daten sehen weitreichende Anwendungen. Ihre Spannweite umfasst Eigenschaften, Prozesse und Pfade des Ozeans. Langzeitaufzeichnungen liegen für Kohlenstoffkomponenten, Nährstoffe, Süßwasser, Wärme und mehr vor. Diese Aufzeichnungen zeigen ozeanische Veränderungen, die auf atmosphärische Trends zurückzuführen sind - globale Erwärmung und erhöhte CO2-Werte.

Abb. 2: Aufwärts und abwärts gerichtete Teledyne RDI-ADCPs (gelb gefärbt für Hochdruck) sind an einem hydrographischen Paket angebracht. Bildnachweis: T. Wasilewski (IFM Hamburg). https://goo.gl/q7XGKK

Geschwindigkeitsprofilierung
Vertikale Profile der Geschwindigkeit und Scherung des Wasserstroms zeigen, wie sich Wasser bewegt und mischt. Sie beschreiben, wie sich Wassereigenschaften verändern und zerstreuen. Zu diesen Eigenschaften zählen Wärme und Energie sowie Organismen, Nährstoffe, Chemikalien, Schutt und Schadstoffe.

Um tiefe Strömungen zu untersuchen, wollen Wissenschaftler, dass Geschwindigkeitsprofile eine große Reichweite haben, aber einen genauen Überblick darüber behalten, wie sich Strömungen mit der Tiefe verändern. Dieser Datentyp hat Ozeanfacetten von inneren Wellen bis zu Jets, Wirbeln und Unterströmungen offenbart. Die Informationen werden weithin verwendet, von der wissenschaftlichen Entdeckung bis zum Betrieb an Bord von Offshore-Bohrinseln.

Vor ADCPs waren für das Velocity-Profiling spezialisierte Teams und Werkzeuge erforderlich. Ihre Verwendung von Schiffszeit und nicht wiederherstellbarer Ausrüstung machte die Messungen teuer. Die Wissenschaftler suchten nach einer Methode, die wirtschaftlicher, benutzerfreundlicher und für ein breiteres Publikum zugänglich ist.

Über mehrere Jahre haben eine Handvoll Experten ADCPs angepasst, um diesen Bedarf zu decken. Sie entwickelten die LADCP-Methode und -Verarbeitung (https://goo.gl/1TGXBn). Wichtige Beiträge kamen von Mitarbeitern der University of Hawaii und des Geologischen Observatoriums von Lamont Doherty in den USA sowie von IFM Kiel in Deutschland.

Reduzierte ADCP-Methode
Tiefenstromprofilierungsmaßnahmen unterhalb des akustischen Bereichs von Schiffsprofilierern. An einem abgesenkten hydrographischen Paket befestigt, durchlaufen kompakte, eigenständige ADCPs die Wassersäule. Während des Abstiegs und des Aufstiegs misst der ADCP weiterhin Stromprofile mit Reichweiten bis zu 100 m. Später werden diese kurzen Segmente mit ihrer feinen vertikalen Auflösung zusammengefügt, um ein Profil mit voller Tiefe zu erzeugen.

Die sorgfältige Verarbeitung von LADCP-Daten umfasst verschiedene Eingaben. Aktuelle Profile von Schiffs-ADCPs werden verwendet, um LADCP-Profile dort zu überprüfen, wo sie sich überlappen. Korrekturen werden für die Schiffsdrift und die unterschiedlichen Einstellungen und Bewegungen des abgesenkten Pakets vorgenommen. Am Boden der Besetzung zeigen akustische Echos, die vom Meeresboden gestreut werden, die Bewegung des ADCP. Häufig werden duale ADCPs verwendet, wobei sie von oben nach unten schauen.

Ein wesentlicher Vorteil der LADCP-Methode besteht darin, dass die Versandzeit und die laufenden Kosten nicht erhöht werden. Das Geschwindigkeitsprofil wird während geplanter Hydrogüsse vervollständigt. Spezialisierte Techniker sind nicht erforderlich, obwohl der erfolgreiche Betrieb des LADCP eine Schulung und Sorgfalt erfordert. Der Kompass des ADCP sollte sorgfältig kalibriert werden.

Abb. 3: ADCP-Profile werden zu einem Profil mit voller Tiefe zusammengefügt. Geschwindigkeit (cm / s). Bildnachweis: M. Visbeck (GEOMAR, 2002). https://goo.gl/kftcJ3

Winde der Veränderung
Die Hinzufügung von ADCPs zu Wasserkraftwerken verursachte eine Wende. Deep Current Profiling stand einer viel größeren Community zur Verfügung. Die Datenerhebung war regelmäßig und weit verbreitet. Ergänzende Informationen zu tiefen Strömungen informierten auch andere Studien, z. B. Tracer-Messungen.

LADCPs erlangten im Rahmen des World Ocean Circulation Experiment (WOCE, 1990-2002) Anziehungskraft auf hydrographischen Kreuzfahrten. In den frühen 2000er Jahren kam die verbesserte LADCP-Datenqualität aus verbesserten Mess- und Verarbeitungsverfahren. In den letzten zwei Jahrzehnten wurde die LADCP-Methode im globalen Ozean routinemäßig eingesetzt.

Umfangreiche Sammlungen dieser Tiefenmessungen sind verfügbar. Und die Ansammlung von LADCP-Abschnitten von vielen Kreuzfahrten öffnete die Tür für statistische Beschreibungen. Kurz gesagt bieten LADCPs eine einzigartige und sich entwickelnde Sichtweise für die Erforschung des globalen Ozeans - von der Zirkulation im großen Maßstab bis zum Mixen in kleinem Maßstab.

Tiefe Unterströmungen
Eine wichtige Motivation, um mehr über tiefe Strömungen zu erfahren, ist die Aufklärung der globalen thermohalinen Zirkulation. Entlang des westlichen Randes aller großen Meeresbecken wurden in der Tiefe enge, schnelle Unterströmungen beobachtet. Sie haben ausgeprägte Wassereigenschaften und strömen gegen starke Oberflächenströmungen.

Mit Hilfe von LADCPs vor dem südlichen Afrika identifizierten britische Wissenschaftler einen unbekannten Unterstrom. Der beträchtliche Agulhas-Unterstrom, der überraschenderweise in den Hydrodaten nicht zu sehen ist, fließt in 1200 m Tiefe äquatorwärts. Diese tiefe Strömung, die sich entlang des Kontinentalhangs befindet, trägt das zehnfache Volumen des größten Flusses der Welt. Spätere Studien bestätigten die Entdeckung der Undercurrent und ihre unerwarteten Wassereigenschaften.

Viele dieser Unterströmungen liegen an der steilen Topographie des Kontinentalhangs. An diesen Standorten können umfassende LADCP-Profile besonders wertvoll sein. Über steile Hänge können Transportschätzungen für tiefe Strömungen, die aus dem Dichtefeld berechnet werden, aufgrund von Datenlücken gering sein. LADCP-Ströme bieten eine Lösung.

Darüber hinaus sind LADCP-Daten 2-D-Geschwindigkeitsvektoren - nicht nur die Kreuzspurkomponente. Dieser Unterschied wird immer wichtiger, wenn der Hydrobereich das Stromfeld in einem schrägen Winkel schneidet.

Abb. 4: Tiefer Unterstrom fließender Äquator (orange) entlang eines steilen Kontinentalhangs. Einheiten: Tiefe (m), Entfernung (Grad). Bildnachweis: Hall et al. (2004) https://goo.gl/4QB6xs

Tiefgreifende Strömungen
Die britischen Wissenschaftler fanden auch, dass LADCP-Stationen vor der Unterströmung hilfreich waren. Das Geschwindigkeitssignal des Agulhas-Hauptstroms bleibt in großer Tiefe erhalten. Tiefe Strömungen ohne Scherung sind in Strömungen nicht zu erkennen, die aus hydrographischen Abschnitten berechnet werden. Infolgedessen kann die traditionelle Methode die durch tiefgreifende Strömungen transportierten Wassermengen unterschätzen. Die Lösung dieses Problems bestand in einer häufigen frühen Verwendung von LADCP-Daten.

Weiter nördlich im Indischen Ozean folgen beeindruckende Veränderungen des Ozeans dem Einbruch des Südwestmonsuns. Eine bekannte Umkehrung starker Oberflächenströme tritt im somalischen Strom auf. In der Tiefe befinden sich gestapelte Strömungsstrahlen mit entgegengesetzten Richtungen. Darüber hinaus dreht sich Somalia über einen Monat lang ein großer, intensiver Wirbel. Der sogenannte Great Whirl erreicht eine Breite von 500 km. Es bleibt drei Monate lang bestehen und zerfällt so schnell wie es sich dreht.

Ein beeindruckendes Merkmal des Great Whirl ist seine tiefe Ausdehnung auf 3000 m. US-Wissenschaftler sammelten LADCP-Daten bei zwei Besuchen, die während des WOCE um 3 Monate voneinander getrennt waren. Die Tiefe der Strömungen des Großen Wirbels stieg von 200 m auf 2500 m. Aufgrund der großen Reichweite dieser Strömungen entspricht das im Great Whirl bewegte Wasservolumen dem Fluss des Golfstroms vor Kap Hatteras. Die tiefe Reichweite des Großen Wirbels ist eine vorgeschlagene Erklärung für die Umkehrung des Abgrundkreislaufs. Auch diese wurden bei LADCPs beobachtet.

Datenmischung
Ozeanographen erforschten neue Wege, um die LADCP-Informationen mit den Wassereigenschaften zu vermischen, die während des Hydrogusses beobachtet wurden. Meeresströmungen übertragen Wassereigenschaften. Für eine geschlossene Region muss der Austausch von Wassereigenschaften den Erhaltungsgesetzen entsprechen, z. B. der Massenerhaltung. Eine Analysetechnik, die als inverse Modellierung bezeichnet wird, kombiniert verschiedene Datentypen, die diesen Gesetzen unterliegen.

Abseits der Küsten können sich langsam ändernde Strömungen weitgehend durch die hydrographischen Daten beschrieben werden. Die Interpretation kann jedoch aufgrund subjektiver Entscheidungen über tiefe Bewegungen zweideutig sein. Wenn sie zu einem inversen Modell hinzugefügt werden, schränken die LADCP-Daten mögliche Lösungen für die fehlenden tiefen Strömungen ein.

Abb. 5: Die LADCP-Daten zeigen die tiefe Ausdehnung des Great Whirl, eines großen intensiven Wirbels vor Somalia. Einheiten: Tiefe (m), Entfernung (Grad). Bildnachweis: T. Chereskin (Scripps Inst. Oceanography) https://goo.gl/WsmhuV

Langfristige Abschnitte
Seit zwei Jahrzehnten überwachen deutsche Forscher Grenzströmungen vor Kanada bei 53 ° N. In ihrem hartnäckigen Abschnitt, der aus 3–5 Liegeplätzen besteht, wiederholten die Wissenschaftler während 13 Kreuzfahrten 12–15 LADCP-Stationen. Die Daten von 150 LADCP-Stationen ergänzten die Liegeplätze, um den Umsturzbeitrag der Labrador-See zu beschreiben. Es wurden starke Strömungen auf verschiedenen Ebenen beobachtet. Insbesondere die LADCP-Daten zeigten einen Hochgeschwindigkeitskern in der Nähe des Tiefseebodens. Seine Gewässer hatten ihren Ursprung in den nordischen Meeren.

LADCP-Profile mit voller Tiefe sind vertikal gut aufgelöst und können einen kleineren horizontalen Abstand als ein festgemachtes Array haben. Die Flexibilität der LADCP-Positionen ermöglicht eine bessere Definition der inneren und äußeren Kanten des Grenzstroms. So können Wissenschaftler aus festgemachten Daten genauere Transporte berechnen. Bei 53 ° N war der Grenzstrom 120 km breit und hatte eine stabile räumliche Struktur. Die Menge des nach Süden exportierten Tiefwassers betrug 30 Millionen Kubikmeter pro Sekunde. Dies entspricht etwa dem Transport durch die Meerenge von Florida, um den Golfstrom zu versorgen.

Abb. 6: Hydrographisches Paket mit zwei Teledyne RDI-ADCPs (gelb) in Aktion vor Grönland. Bildnachweis: C. Nobre (WHOI). https://goo.gl/HJLq5m

Meeresweite Abschnitte
Eine fortlaufende, mehrjährige internationale Forschungsinitiative trägt den Titel Umsturz im subpolaren N.-Atlantik-Programm (OSNAP). In den nördlichen Breitengraden des Atlantiks arbeitet OSNAP mit vielen Forschern mit früheren Programmen in der Region zusammen. Ihr gemeinsamer Fokus liegt auf dem ozeanweiten Transport von Wärme und Süßwasser als Teil des globalen Klimasystems.

In einem kürzlich veröffentlichten Bericht wurden zwei Kreuzungen eines zusammengesetzten ozeanweiten hydrographischen Abschnitts beschrieben, der 2014 und 2016 beobachtet wurde. Die Abschnitte erstrecken sich über mehrere Becken, die starke Grenzströmungen aufweisen. Ergebnisse für das tiefe Geschwindigkeitsfeld mischte Ströme aus dem Dichtefeld mit einer tiefen Referenzgeschwindigkeit aus LADCP-Daten ein.

Die Forscher stellten fest, dass die LADCP-Daten bei engen Grenzströmen und Unterströmen besonders wertvoll sind. Für die genaue Messung dieser Merkmale ist eine hohe horizontale Auflösung erforderlich. Sie werden in der Regel von satellitengestützten Optionen unterschätzt und unterschätzt. Tatsächlich quantifizierte der Bericht diese Diskrepanz für den kombinierten Transport tiefer Unterströmungen um den Subpolarwirbel.

Abb. 7: Meeresweite Nord- / Südströmung in Subpolar, Nordatlantik im Jahr 2016. Strömungen: Norden (rot), Süden (blau). Einheiten: Tiefe (m), Entfernung (km). Bildnachweis: Holliday et al. (2018) https://goo.gl/3YAE8X

Schätzungen des Mischens im Ozean
Die Wissenschaftler nutzten auch LADCP-Profile, um interne Wellen zu betrachten. Insbesondere wollten sie die Auswirkungen des Brechens interner Wellen quantifizieren.

Die Motivation dieser Bemühungen war der Wunsch nach mehr Daten über das Mischen im Ozean. Es wurde vermutet, dass das Mischen ein wesentlicher Faktor für die Aufrechterhaltung des thermischen Profils des Ozeans ist. Studien zum Mischen im Meer waren jedoch auf wenige spezialisierte Teams und Werkzeuge beschränkt. Und diese Ergebnisse konnten nicht hochgerechnet werden, um den globalen Ozean darzustellen.

In den späten 1990er Jahren testeten Wissenschaftler die Scherkraft von LADCP-Profilen als Input für eine statistische Beschreibung des Mischens im Ozean. Die Methode vermischte die Geschwindigkeitsscherung mit komplementären Daten aus gleichzeitig ablaufenden CTD-Profilen. Für die Berechnung der Mischung in weiter verbreiteten Regionen war die geographische Verteilung der LADCP-Profile von WOCE attraktiv. Insbesondere waren LADCP-Daten in erwarteten Hot-Spots für das Mischen verfügbar, wo Experten nicht gemessen hatten.

Der Südpol war ein vorrangiges Ziel. Unter Verwendung der LADCP-basierten Methode berichtete ein internationales Team über Ergebnisse weit verbreiteter intensiver Vermischung in der Nähe von Drake Passage. Über rauhe Topographie wurden Tausende von Kilometern hohe Raten erzielt. Daraus folgt, dass das Mischen ein wesentlicher Faktor für die großflächige Umwälzung in hohen südlichen Breiten ist.

Die Verwendung von LADCP-Daten in solchen Mischstudien hat an Zugkraft gewonnen - in einer kürzlich erschienenen Veröffentlichung sogar explodiert. Zum Beispiel schlug eine Gruppe von Wissenschaftlern einen alternativen Ansatz zur Quantifizierung des Mischens vor. Dazu gehörten LADCP-Daten aus fünf verschiedenen dynamischen Regimen: Äquatorialgewässer, East Pacific Rise, Luzon-Straße, Südpazifik und Drake Passage.

Abgesenkte ADCPs: Großer Druck
Die Geschwindigkeitsprofilierung bietet eine feinskalierte Ansicht, wie sich Meeresströmungen mit der Tiefe verändern. Die Methode begann mit spezialisierten Teams und Werkzeugen. Später wurden kompakte ADCPs auf den Meeresboden abgesenkt. Über mehrere Jahre hinweg wurde in Zusammenarbeit mit Experten die LADCP-Methode und -Verarbeitung entwickelt und verfeinert.

Das abgesenkte ADCP hat sich zu einer Standardtechnik entwickelt, die weltweit von der Meeresforschungsgemeinschaft verwendet wird. Sie haben es verwendet, um den Schleier bei tiefen Strömungen von inneren Wellen zu Jets, Wirbeln und Unterströmungen anzuheben. Nach drei Jahrzehnten des Sammelns überspannen die LADCP-Geschwindigkeitsprofile den gesamten Ozean. Sie werden für eine Vielzahl von Themen angewendet: von lokal bis global und von Tagen bis Jahrzehnten.

Daten-Credits
Abb. 3: M. Visbeck (2002) Tiefe Geschwindigkeitsprofilierung mit abgesenktem Acoustic Doppler Current Profiler: Bottom Track und inverse Lösungen. DOI 10.1175 / 1520-0426 (2002) 019 <0794: DVPULA> 2.0 · CO; 2

Abb. 4: MM Hall, TM Joyce, RS Pickart, WM Smethie Jr., DJ Torres (2004), Zonale Zirkulation über 52 ° W im Nordatlantik. https://doi.org/10.1029/2003JC002103

Abb. 5: LM Beal und KA Donohue (2013), The Great Whirl: Beobachtungen der saisonalen Entwicklung und der interannualen Variabilität. https://doi.org/10.1029/2012JC008198

Abb. 7: NP Holliday, S. Bacon, SA Cunningham, SF Gary, J. Karstensen, BA King, F. Li, EL Mcdonagh (2018), Subpolar Nordatlantik-Umsturz und Kreiselumlauf in den Sommern 2014 und 2016 https://doi.org/10.1029/2018JC013841