Profiling atual de toda a profundidade ao redor do oceano global

Fig. 1: Teledyne RDI ADCP anexado a um pacote hidrográfico antes de baixar para grandes profundidades. Crédito: J. Lemus (U. Hawaii). https://goo.gl/VfvYn1

Três décadas de alta pressão para ADCPs abaixados

Introdução
Desde os movimentos inesperados dos primeiros carros alegóricos, os oceanógrafos têm trabalhado para levantar o véu das correntes profundas. Medições de corrente contínua vieram em várias formas. Flutuadores de flutuação neutra e seus descendentes revelaram caminhos profundos. Os medidores atuais em amarrações mostraram mudanças no tempo. As sondas de queda livre permitiam uma visualização de perfil - medições com espaçamento curto mostrando a velocidade da corrente de água versus profundidade. E ADCPs rebaixados (LADCP) forneceram perfis atuais bem resolvidos e de profundidade total desde o início dos anos 90.

Correntes profundas armazenam, transportam e redistribuem propriedades importantes para a vida dentro e fora do mar. Por exemplo, os níveis de oxigênio e nutrientes são vitais para as águas profundas que abastecem a cadeia alimentar do oceano. No entanto, até meados da década de 1970, correntes profundas rivalizavam com o lado sombrio da lua em busca de mistério. Estimulados pelas descobertas de observações aprimoradas, agora há um interesse intenso em como as correntes profundas participam do sistema climático global. Especialmente importante é a mudança de calor e o conteúdo de CO2 do oceano profundo.

Métodos para observar o mar profundo abaixo da camada sazonal superior são estabelecidos. Para medir correntes profundas, cientistas de todo o mundo anexam ADCPs compactos a pacotes hidrográficos. Esses pacotes são rotineiramente baixados para o fundo do mar para coletar amostras de água e medir as propriedades da água.

Neste relatório, analisamos várias descobertas do trabalho do LADCP em todo o oceano global. As medidas do LADCP foram inicialmente examinando as correntes profundas nas regiões equatoriais e nos oceanos tropicais e subtropicais. As características incluíam correntes profundas, subcorrentes e redemoinhos. Mais recentemente, os LADCPs apoiaram estudos científicos em altas latitudes, como a exploração de curvas de circulação na subpolar N. Atlantic e o cálculo da intensa mistura no Oceano Austral.

Hidrografia
A hidrografia baseada em navios mede as propriedades da água desde a superfície até o fundo do mar. Os resultados vêm da redução de um CTD de perfil contínuo e da coleta de amostras discretas de água. Esses modelos “hidrelétricos” são incomparáveis para observar o oceano profundo - especialmente abaixo de 2000 m. Ao mesmo tempo, este método também revela pontos quentes para troca atmosférica com o oceano.

Os dados hidrográficos veem usos de amplo alcance. Seu período inclui propriedades, processos e caminhos do oceano. Registros de longo prazo existem para componentes de carbono, nutrientes, água doce, calor e muito mais. Esses registros revelam mudanças oceânicas atribuídas às tendências atmosféricas - aquecimento global e aumento dos níveis de CO2.

Fig. 2: Os ADCPs Teledyne RDI para cima e para baixo (amarelo colorido para alta taxa de pressão) são anexados a um pacote hidrográfico. Crédito: T. Wasilewski (IFM Hamburgo). https://goo.gl/q7XGKK

Perfil de velocidade
Perfis verticais da velocidade da corrente de água e cisalhamento mostram como a água se move e se mistura. Eles ajudam a descrever como as propriedades da água mudam e se dispersam. Essas propriedades incluem calor e energia, bem como organismos, nutrientes, produtos químicos, detritos e poluentes.

Para estudar as correntes profundas, os cientistas querem que os perfis de velocidade tenham alcance longo e ainda mantenham uma visão em escala precisa de como as correntes mudam com a profundidade. Esse tipo de dados revelou facetas oceânicas de ondas internas para jatos, redemoinhos e correntes secundárias. E a informação é amplamente utilizada, desde descobertas científicas até operações em plataformas marítimas.

Antes dos ADCPs, o perfil de velocidade precisava de equipes e ferramentas especializadas. Seu uso de tempo de embarque e equipamentos não recuperáveis tornou as medições caras. Os cientistas procuraram um método mais econômico, mais fácil de usar e disponível para um público mais amplo.

Ao longo de vários anos, um punhado de especialistas adaptou os ADCPs para atender a essa demanda. Eles criaram o método e o processamento do LADCP (https://goo.gl/1TGXBn). As principais contribuições vieram da equipe da Universidade do Havaí e do Observatório Geológico Lamont Doherty, nos EUA, e da IFM Kiel, na Alemanha.

Método ADCP Abaixado
Medidas de perfis de corrente profunda abaixo da faixa acústica de perfis montados em navios. Anexado a um pacote hidrográfico rebaixado, os ADCPs compactos e independentes passam pela coluna de água. Durante a descida e subida, o ADCP continua a medir os perfis atuais com faixas de até 100 m. Mais tarde, esses segmentos curtos - com sua resolução vertical em escala fina - são costurados juntos para produzir um perfil de profundidade completa.

O processamento cuidadoso dos dados do LADCP incorpora várias entradas. Perfis atuais de ADCPs montados em navios são usados para validar perfis LADCP onde eles se sobrepõem. Correções são feitas para a deriva do navio e a atitude e os movimentos variados do pacote rebaixado. Perto do fundo do elenco, ecos acústicos espalhados pelo fundo do mar revelam o movimento do ADCP. Freqüentemente, os ADCPs duplos são usados - olhando para cima e para baixo.

Uma das principais vantagens do método LADCP é que ele não acrescenta tempo de envio e custos de operação; o perfil de velocidade é completado durante os ciclos programados. Técnicos especializados não são necessários, embora a operação bem-sucedida do LADCP envolva treinamento e diligência. A bússola do ADCP deve ser calibrada com cuidado.

Fig. 3: Os perfis ADCP são costurados para formar um perfil de profundidade completa. Velocidade (cm / s). Crédito: M. Visbeck (GEOMAR, 2002). https://goo.gl/kftcJ3

Ventos da Mudança
Adicionando ADCPs para modelos de hidro causou uma mudança radical. Profiling atual perfil estava disponível para uma comunidade muito maior. A coleta de dados foi regular e generalizada. E informações suplementares sobre correntes profundas informaram outros estudos, como as medições do marcador.

Os LADCPs ganharam tração em cruzeiros hidrográficos durante o World Ocean Circulation Experiment (WOCE, 1990-2002). No início dos anos 2000, a melhoria da qualidade dos dados do LADCP veio de métodos aprimorados de medição e processamento. E as últimas duas décadas viram o uso rotineiro do método LADCP em todo o oceano global.

Extensas coleções dessas medições de profundidade total estão disponíveis. E a acumulação de secções do LADCP de muitos cruzeiros abriu as portas para descrições estatísticas. Em suma, os LADCPs fornecem uma visão única e em desenvolvimento para o estudo do oceano global - desde a circulação em larga escala até a mistura em pequena escala.

Deep Undercurrents
Uma das principais motivações para saber mais sobre as correntes profundas é esclarecer a circulação global termohalina. Ao longo da borda oeste de todas as principais bacias oceânicas, correntes subterrâneas estreitas e rápidas foram observadas em profundidade. Eles têm propriedades de água distintas e contador de fluxo para correntes de superfície fortes.

Usando LADCPs na África Austral, cientistas do Reino Unido identificaram uma subcorrente desconhecida. A substancial subcorrente das Agulhas, que surpreendentemente não é evidente em dados de hídricos, flui para o equador a 1200 m de profundidade. Encontrado ao lado da encosta continental, essa corrente profunda transporta dez vezes o volume do maior rio do mundo. Estudos posteriores confirmaram a descoberta da Undercurrent e suas inesperadas propriedades da água.

Muitas dessas correntes ocultam a topografia íngreme do declive continental. Nestes locais, perfis LADCP de profundidade total podem ser especialmente valiosos. Em declives íngremes, as estimativas de transporte para correntes profundas calculadas a partir do campo de densidade podem ser baixas causadas por lacunas nos dados. As correntes do LADCP fornecem uma solução.

Além disso, os dados do LADCP são vetores de velocidade 2D - não apenas o componente de cruzamento. Essa diferença se torna mais importante quando a seção hidráulica corta o campo atual em um ângulo oblíquo.

Fig. 4: Subcorrente profundo que flui para o equador (laranja) ao longo de um íngreme declive continental. Unidades: Profundidade (m), Distância (graus). Crédito: Hall et al. (2004) https://goo.gl/4QB6xs

Correntes de longo alcance
Os cientistas do Reino Unido também encontraram estações úteis do LADCP no mar da Undercurrent. O sinal de velocidade da corrente principal de Agulhas persiste a grande profundidade. Fluxos profundos sem cisalhamento não são evidentes nas correntes calculadas a partir de seções hidrográficas. Como resultado, o método tradicional pode subestimar os volumes de água transportados por correntes de longo alcance. A resolução deste problema foi um uso antecipado comum dos dados do LADCP.

Mais ao norte, no Oceano Índico, impressionantes mudanças oceânicas acompanham o início das monções do sudoeste. Uma reversão bem conhecida de correntes superficiais fortes ocorre na Corrente Somali. Jatos empilhados de correntes com direções opostas são encontrados em profundidade. Além disso, um grande giro intenso gira sobre a Somália por um mês. Chamado o Grande Giro, o giro atinge 500 km de largura. Ele persiste por três meses e depois se dissipa tão rápido quanto se desenvolve.

Uma característica impressionante do Great Whirl é a sua extensão profunda a 3000 m. Cientistas dos EUA coletaram dados do LADCP em duas visitas separadas por 3 meses durante o WOCE. A profundidade das correntes do Grande Giro aumentou de 200 ma 2500 m. Devido ao alcance profundo dessas correntes, o volume de água que se move no Grande Redemoinho coincide com o fluxo da Corrente do Golfo do Cabo Hatteras. O alcance profundo do Grande Giro é uma explicação proposta para reversões na circulação abissal abaixo. Estes também foram observados com os LADCPs.

Mistura de dados
Os oceanógrafos exploraram novas maneiras de mesclar as informações do LADCP com as propriedades da água observadas durante os lançamentos hídricos. As correntes oceânicas transferem as propriedades da água. Para uma região fechada, a troca de propriedades da água deve satisfazer as leis de conservação, como conservação de massa. Uma técnica de análise chamada modelagem inversa combina diferentes tipos de dados sujeitos a essas leis.

Longe das costas, as correntes de mudança lenta podem ser largamente descritas pelos dados hidrográficos. Mas a interpretação pode ser duvidosa devido a escolhas subjetivas sobre movimentos profundos. Quando adicionados a um modelo inverso, os dados do LADCP restringem possíveis soluções para as correntes profundas ausentes.

Fig. 5: Dados do LADCP mostram a extensão profunda do Grande Giro, um giro intenso e intenso da Somália. Unidades: Profundidade (m), Distância (graus). Crédito: T. Chereskin (Scripps Inst. Oceanography) https://goo.gl/WsmhuV

Seções de longo prazo
Por duas décadas, pesquisadores alemães monitoraram as correntes de fronteira no Canadá a 53 ° N. Através de sua persistente seção definida por 3 a 5 amarrações, os cientistas repetiram 12 a 15 estações do LADCP durante 13 cruzeiros. Como resultado, dados de 150 estações do LADCP suplementaram as amarras para descrever a contribuição do mar de Labrador. Correntes fortes foram vistas em vários níveis. Em particular, os dados do LADCP mostraram um núcleo de alta velocidade perto do fundo do mar profundo. Suas águas originaram-se nos mares nórdicos.

Os perfis LADCP de profundidade total são bem resolvidos verticalmente e podem ter um espaçamento horizontal mais fino do que um array ancorado. A flexibilidade das localizações do LADCP permite uma melhor definição das bordas interna e externa da corrente de contorno. Assim, os cientistas podem calcular transportes mais precisos a partir de dados ancorados. Aos 53 ° N, a corrente limite era de 120 km de largura e tinha estrutura espacial estável. O volume de águas profundas exportadas para o sul era de 30 milhões de metros cúbicos por segundo - quase o mesmo que o transporte através do Estreito da Flórida para abastecer a Corrente do Golfo.

Fig. 6: Pacote hidrográfico com dois ADCPs Teledyne RDI (amarelo) em ação na Groenlândia. Crédito: C. Nobre (WHOI). https://goo.gl/HJLq5m

Seções do oceano
Uma iniciativa de pesquisa internacional em andamento, com duração de vários anos, intitula-se "Derrubada no Programa Subpolar Norte-Atlântico" (OSNAP). Trabalhando em toda a largura do Atlântico em altas latitudes setentrionais, a OSNAP inclui muitos pesquisadores com programas anteriores na região. Seu foco conjunto é o transporte de calor e água doce em todo o oceano como parte do sistema climático global.

Um relatório recente descreveu dois cruzamentos de uma seção hidrográfica composta em todo o oceano, observados em 2014 e 2016. As seções abrangem várias bacias que mostram fortes correntes de contorno. Os resultados para o campo de velocidade profunda fundiram as correntes do campo de densidade com uma velocidade de referência profunda dos dados do LADCP.

Os pesquisadores notaram que os dados do LADCP são particularmente valiosos em correntes de contorno estreitas e subcorrentes. A medição precisa desses recursos depende da alta resolução horizontal; eles tendem a ser subestimados e sub-resolvidos por opções baseadas em satélites. De fato, o relatório quantificou essa discrepância para o transporte combinado de correntes profundas ao redor do giro subpolar.

Fig. 7: Seção de todo o oceano das correntes norte / sul em Subpolar N. Atlantic em 2016. Correntes: Norte (vermelho), Sul (azul). Unidades: Profundidade (m), Distância (km). Crédito: Holliday et al. (2018) https://goo.gl/3YAE8X

Estimativas de mistura no oceano
Os cientistas também usaram os perfis do LADCP para observar ondas internas. Mais especificamente, eles queriam quantificar os efeitos da quebra de onda interna.

Motivar esse esforço foi o desejo de mais dados sobre a mistura no oceano. A mistura foi teorizada como um fator significativo na manutenção do perfil térmico do oceano. No entanto, os estudos de mistura no oceano foram limitados a algumas equipes e ferramentas especializadas. E esses resultados não poderiam ser extrapolados para representar o oceano global.

No final da década de 1990, os cientistas testaram o cisalhamento dos perfis do LADCP como entrada para uma descrição estatística da mistura no oceano. O método combinou a velocidade de cisalhamento com dados complementares de perfis CTD concorrentes. Para calcular a mistura em regiões mais difundidas, a distribuição geográfica dos perfis do LADCP do WOCE era atraente. Em particular, os dados do LADCP estavam disponíveis em pontos de acesso antecipados para a mistura, onde os especialistas não haviam medido.

O Oceano Antártico era um dos principais alvos. Usando o método baseado no LADCP, uma equipe internacional relatou resultados de mistura intensa generalizada perto de Drake Passage. Taxas altas foram vistas em topografia aproximada por milhares de quilômetros. A implicação é que a mistura é um fator essencial na circulação em grande escala, em latitudes altas do sul.

O uso de dados do LADCP nesses estudos de mistura ganhou força - até mesmo "explodiu" em um artigo recente. Por exemplo, um grupo de cientistas propôs uma abordagem alternativa para quantificar a mistura. Eles incluíram dados do LADCP de cinco regimes dinâmicos diversos: águas equatoriais, Ascensão do Pacífico Leste, Estreito de Luzon, Pacífico Sul e Passagem de Drake.

ADCPs rebaixados: grande sob pressão
O perfil de velocidade fornece uma visão em pequena escala de como as correntes oceânicas mudam com a profundidade. O método começou com equipes e ferramentas especializadas. Mais tarde, os ADCPs compactos foram baixados para o fundo do mar. Ao longo de vários anos, um esforço cooperativo entre os especialistas concebeu e refinou o método e o processamento do LADCP.

O ADCP Abaixado se espalhou para ser uma técnica padrão usada mundialmente pela comunidade de pesquisa oceânica. Eles o usaram para levantar o véu de correntes profundas, de ondas internas a jatos, redemoinhos e correntes ocultas. E após três décadas de coleta, os perfis de velocidade LADCP de grande profundidade abrangem o oceano global. Eles estão sendo aplicados em uma ampla gama de questões: do local ao global no escopo e de dias a décadas de duração.

Créditos de dados
Fig. 3: M. Visbeck (2002) Perfilamento de velocidade profunda usando Perfil de Corrente Doppler Acústico rebaixado: Solução de fundo e inversa. DOI 10.1175 / 1520-0426 (2002) 019 <0794: DVPULA> 2.0.CO; 2

Fig. 4: Hall MM, TM Joyce, Pickart RS, WM Smethie Jr., DJ Torres (2004), a circulação zonal através de 52 ° W no Atlântico Norte. https://doi.org/10.1029/2003JC002103

Figs.5: LM Beal e KA Donohue (2013), The Great Whirl: Observações de seu desenvolvimento sazonal e variabilidade interanual. https://doi.org/10.1029/2012JC008198

Fig. 7: NP Holliday, S. Bacon, SA Cunningham, SF Gary, J. Karstensen, BA King, F.Li, EL Mcdonagh (2018), Subpolar North Atlantic Overturning e Gyre-Scale Circulation nos Verões de 2014 e 2016 https://doi.org/10.1029/2018JC013841