Dispersión horizontal y vertical en un modelo idealizado de la circulación inducida por el viento

Horizontal and vertical dispersion in an idealized wind-driven circulation model

José Rodrigo Barrientos Valencia (2023, [Tesis de maestría])

El estudio de la dispersión de materia flotante en el océano es fundamental para abordar problemas contemporáneos, como la contaminación por desechos y la distribución de nutrientes. Sin embargo, la distribución superficial horizontal no captura completamente la complejidad del problema, ya que muchos contaminantes, incluidos los plásticos, tienden a hundirse debido a la desintegración o a la adhesión de materiales que alteran su densidad. Este estudio se centra en la dispersión horizontal y vertical de trazadores pasivos en un océano turbulento impulsado por el viento. Se utilizan partículas sintéticas que son advectadas por un modelo Lagrangiano resolviendo la trayectoria de cada partícula mediante un método Runge-Kutta de 4 ◦ orden. Se exploran cuatro mecanismos de dispersión: (i) corrientes geostróficas a gran escala según el modelo clásico de Stommel, (ii) velocidad de Ekman, (iii) difusividad turbulenta debida a movimientos de submesoescala (simulados con una caminata aleatoria), y (iv) efectos inerciales relacionados con el tamaño y la flotabilidad del trazador. El estudio se divide en dos partes: primero, se examina la dispersión horizontal en superficie, y después se aborda el caso tridimensional mediante la inmersión de trazadores por bombeo de Ekman. Los principales resultados son: 1) con la deriva superficial de Ekman, las partículas convergen hacia una región alrededor del centro del giro de Stommel; sin embargo, dicha convergencia disminuye a medida que aumentan los efectos de la turbulencia; 2) considerando los efectos inerciales, aumentar la flotabilidad o el tamaño de las partículas provoca una convergencia mayor que la producida por la deriva de Ekman; 3) al incluir la velocidad vertical negativa, una baja difusividad turbulenta permite que los trazadores alcancen mayores profundidades porque permanecen más tiempo en regiones de mayor hundimiento.

The study of floating material dispersion in the ocean is crucial for addressing contemporary issues such as waste pollution and nutrient distribution. However, the horizontal surface distribution does not fully capture the complexity of the problem. Many pollutants, including plastics, tend to sink due to the disintegration or adhesion of materials altering their density. This study focuses on the horizontal and vertical dispersion of passive tracers in a turbulent, wind-driven ocean. Synthetic particles are advected using a Lagrangian model, with each particle’s trajectory solved using a fourth-order Runge-Kutta method. Four dispersion mechanisms are explored: (i) large-scale geostrophic currents based on the Stommel’s classical model, (ii) Ekman velocity, (iii) turbulent diffusivity due to submesoscale motions (simulated with a random walk), and (iv) inertial effects related to the tracer’s size and buoyancy. The study is divided into two parts: first, horizontal dispersion at the surface is examined, and then the three-dimensional scenario is addressed by immersing tracers through Ekman pumping. The key findings are as follows: 1) with surface Ekman drift, particles converge around the center of the Stommel gyre; however, this convergence decreases as turbulence effects increase; 2) considering inertial effects, increasing buoyancy or particle size results in greater convergence than that caused by Ekman drift; 3) when the vertical velocity is included, a low turbulent diffusivity allows tracers to reach greater depths because they remain longer times in regions of greater sinking.

circulación de Stommel, deriva de Ekman, partículas inerciales, dispersión de partículas, bombeo de Ekman Stommel circulation, Ekman drift, inertial particles, particle dispersion, Ekman pumping CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA CIENCIAS DE LA TIERRA Y DEL ESPACIO OCEANOGRAFÍA OCEANOGRAFÍA FÍSICA (VE R 5603 .04) OCEANOGRAFÍA FÍSICA (VE R 5603 .04)