Horizontal Transport and Mixing and their connection with Dynamical and Biological Processes in the Ocean

Resum

Els processos de mescla i transport horitzontal són centrals per a l’estudi de la dinàmica física, química, i biològica de l’oceà. Una correcta comprensió i un precís modelatge d’aquests processos són rellevants des del punt de vista teòric, i són crucials per a una varietat de problemes pràctics, tals com la dinàmica del plàncton o el control d’abocaments contaminants. En aquest sentit, els darrers anys han vist brollar nous i interessants desenvolupaments en la descripció Lagrangiana de fenòmens de transport i mescla, molts d’ells provinents de l’àrea de la dinàmica no-lineal. Aquestes aproximacions no tenen com a objectiu predir trajectòries individuals de traçadores, sinó localitzar estructures espacials que són conegudes dins la teoria de sistemes dinàmics com a estructures que actuen com a esquelet organitzador del flux sencer. Això es deu principalment a la capacitat dels diagnòstics Lagrangians d’explorar la variabilitat espai-temporal del camp de velocitats mitjançant el seguiment de trajectòries de partícules de fluid, a diferència de les Eulerianes les quals analitzen mapes instantanis de dades. Entre aquestes tècniques Lagrangianes, una classe amb molt de potencial consisteix en el càlcul dels exponents de Lyapunov locals (LLE), els quals mesuren la dispersió relativa de partícules transportades. En particular, estan els anomenats exponents de Lyapunov de mida finita (FSLEs) on un calcula el temps que tarden dues trajectòries, inicialment separades per un distància finita, el separar-se una distància finita final més llarga. Els LLEs estan captant l’atenció de la comunitat oceanogràfica. Les principals raons d’aquest interès són les següents: a) identifiquen i mostren les estructures dinàmiques del flux que fortament organitzen el moviment del fluid (Estructures Coherents Lagrangianes (LCSs)) com a vòrtex, barreres de transport, fronts, etc; b) són relativament fàcils de calcular; c) proporcionen informació extra sobre les escales de temps característiques de la dinàmica del flux oceànic; d) són capaces de revelar estructures oceàniques per sota de la resolució nominal del camp de velocitats que és analitzat; i e) Els FSLEs, a més, és especialment apropiat per analitzar transport en àrees tancades. Malgrat el creixent nombre d’aplicacions dels FSLEs, un anàlisi sistemàtic de moltes de les seves propietats i de la seva eficàcia per diagnosticar propietats de transport oceànic a diferents escales està encara pendent. L’objectiu general d’aquesta tesi s’ha orientat cap a l’estudi dels processos físics i biològics de l’oceà relacionats amb el transport i mescla des del punt de vista Lagrangian. L’estudi ha estat realitzat amb la idea de caracteritzar propietats de transport i estructures coherents a diferents escales, des d’escales costaneres a la planetària. Després d’una breu introducció i una descripció de la metodologia en els primers capítols, en el Capítol 3 abordem les següents preguntes: Com es propaguen els errors del camp de velocitat en els FSLEs? És vàlida la informació que proporcionen els FSLEs per sota de la resolució espacial del camp de velocitats, o és només un artifici? Com es transformen baix canvis d’escala? Per fer això, calculem els FSLEs a differentes resolucions espacials i analitzem les seves propietats d’escala i la seva resposta a dues fonts d’error diferents, en les dades de velocitat i en la manera en la qual les trajectòries de les partícules són calculades. Per seguir en la línia de les aplicacions oceanogràfiques usem dades numèriques de velocitats de superfície marina de la Mar Mediterrània. Una vegada que la fiabilitat dels diagnòstics de FSLEs en fluxos oceànics ha estat estudiat centrem la recerca en l’aplicació d’aquesta eina per analitzar propietats de transport marí, des d’una particular àrea costanera fins a l’oceà global. En el Capítol 4, el camp de velocitats d’una capa propera a la superfície obtinguda d’un model oceànic de circulació general ha estat analitzat usant els FSLEs per abordar les següents qüestions: Podem classificar l’oceà en regions amb diferents propietats de transport usant FSLEs? Com és la relació entre descriptores Lagrangians i Eulerians? Podem obtenir la mateixa informació sobre el transport des d’ambdues perspectives? Comencem aquest estudi amb una caracterització de les propietats d’agitació i mescla dels hemisferis Nord i Sud, i després de les principals conques i corrents oceàniques. Després estudiem la relació entre les mitjanes de FSLEs i alguns descriptors Eulerians com l’energia cinètica de remolí i la vorticitat relativa en diferents regions. Aquestes relacions són molt útils a l’hora de caracteritzar la dinàmica de diferents àrees de l’oceà. El Capítol 5 està dedicat a l’estudi d’estructures turbulentes i al transport en l’entorn costaner de la Badia de Palma, Mallorca, en termes de FSLEs i temps de residència. Podem detectar LCSs de petita escala en fluxos costaners? Són aquestes estructures rellevants per a la dinàmica del fluid en una regió costanera? Com podem caracteritzar el transport entre la costa i l’oceà? Per contestar aquestes preguntes investiguem el caràcter de les semi-persistents LCSs obtingudes dels càlculs. Estudiem l’intercanvi de partícules de fluid entre la Badia de Palma i l’oceà calculant trajectòries de partícules i temps de residència en diferents mesos. Examinem la connexió entre les LCSs i les regions costaneres amb diferents propietats de transport en termes d’escales de temps donats pels temps de residència. Finalment, en el Capítol 6 ens centrem en la influència que tenen els processos de transport sobre els ecosistemes marins a les zones d’aflorament dels límits orientals de les conques oceàniques. En particular, analitzem els factors físics relacionats amb la productivitat de plàncton en el sistema d’aflorament de Benguela. Estudis recents, basats en dades de teledetecció i en models acoblats, han mostrat que a les zones d’aflorament hi ha una reducció de l’activitat biològica dins de les àrees on hi ha una intensa agitació horitzontal. Per entendre millor aquest fenomen, hem considerat un sistema de fluid oceànic a la zona de Benguela acoblat a un simple model biogeoquímic de tipus Nutrients-Fito-Zooplancton (NPZ). El nostre model aproximat confirma que en el sud de Benguela hi ha una reducció de la producció biològica quan l’activitat de mesoescala augmenta. La advecció horitzontal cap a l’oceà i diferències nord-sud en la taxa de creixement biològic semblen ser els processos dominants implicats.