Djupa vågor styr oceaner och klimat

Tidvattenströmmar som flyter över ojämn botten kan färdas i tusentals kilometer innan de bryter. De har en stor påverkan på klimatsystemet, framför allt genom deras nyckelroll i att reglera värme- och kolupptaget i oceanen.

Tidvattenströmmar som flyter över ojämn bottentopografi genererar inre tidvatten. Dessa interna vågor med tidvattenfrekvens kan delas upp i vertikala moder. Låga moder färdas i allmänhet tusentals kilometer, tills de bryter på grund av skjuvströmningssinstabilitet, medan höga moder tros bryta nära den plats där de genereras.

Energin som frigörs när inre tidvattenvågor bryter tros inte bara forma den vertikala oceancirkulationen, utan också blanda om den övre oceanen. Båda processerna har en stor påverkan på klimatsystemet, framför allt genom deras nyckelroll i att reglera värme- och kolupptaget i oceanen.

Genereringen av inre tidvatten, eller ”tidvattenomvandling”, kan beräknas från bottentopografin, havsskiktningen och tidvattenströmmarna. Globala beräkningar av tidvattenomvandlingen har baserats på linjär vågteori. Sådana linjära beräkningar är dock endast giltiga om bottenlutningen är subkritisk, och det är inte känt hur man behandlar superkritiska sluttningar. Detta gäller särskilt när omvandlingen delas upp i vertikala moder, som var för sig beter sig mycket annorlunda än den totala omvandlingen (summan av bidragen från alla moder).

Flera studier

I den första artikeln i denna avhandling undersöker vi giltigheten av linjär teori i den superkritiska gränsen. Specifikt översatte vi det kritiska lutningsförhållandet, ett begrepp som definieras för summan av alla moder, till ett mod-beroende villkor på den topografiska höjden. Resultaten tillämpades på uppskattningar av den globala M2-tidvattenomvandlingen till de första 10 vertikala moderna (i den öppna oceanen, exklusive kontinentalsocklarna ochsluttningarna). Resultaten visar att den area där linjär teori inte gäller ökar snabbt med mod-talet. För tidvattenomvandlingen visar detta att den linjära teorin inte kan användas för att kvantifiera den roll som höga moder spelar för de interna vågornas energibudget.

Kontinentalsluttningarna är vanligen superkritiska, och därmed platser där den linjära teorin inte gäller. På grund av sin karakteristiska form är de också en viktig källa till låga moder av inre tidvatten. I den andra artikeln i denna avhandling konstruerade vi en beräkningsmässigt billig metod för att beräkna tidvattenomvandlingen vid kontinentalsluttningar, och använde den på global skala. Den använder vanliga observationsdata som indata, och förlitar sig på en ickelinjär numerisk modell med reducerad fysik snarare än på linjär teoriför att uppskatta tidvattenomvandlingen.

Att avtäcka det globala mönstret för dissipationen av inre tidvatten (dvs var de bryter) har varit en utmaning under några decennier. Det kan förklaras av bristen på lämpliga observationer att jämföra teorin med. Fram till nyligen var de enda observationsdata för internt tidvatten med global täckning baserade på satellitmätningar av havsnivån. Endast den del av vågfältet som är exakt i fas med den astronomiska drivningen kan dock identifieras från dessa satellitmätningar.

I den tredje artikeln i denna avhandling skapade vi en ny uppsättning av observationsdata för internt tidvatten, med global täckning, baserad på ”parkeringsdata” från Argo. Dessa data registreras medan Argo-flötena driver på 1000 mdjup, mellan två vertikala profileringssekvenser. Tack vare den höga samplingshastigheten för Argo-flöten visar dessa data vågornas fulla amplitud, inklusive den icke-faslåsta delen. Denna del visar sig vara flera gånger större än man tidigare trott. I den fjärde artikeln validerade vi det interna tidvattnet i en realistisk global oceansimulering med Argo-data. Detta fungerade också för att validera Argo-observationerna.