Hoe de wind de golven vormt: Lasermetingen onthullen verborgen interacties boven de oceaan

Onderzoekers visualiseren complexe luchtstromen boven de oceaan

Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van het Helmholtz-Zentrum Hereon is er voor het eerst in geslaagd om de complexe dynamiek van luchtstromen direct boven het oceanoppervlak in hoge resolutie te visualiseren en te kwantificeren. Met een innovatief lasersysteem zijn tot nu toe onbekende en zeer complexe mechanismen van energie-uitwisseling tussen wind en golven ontrafeld. Dit is een belangrijke vooruitgang voor klimaatonderzoek, weersmodellen en oceaandynamica. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in Nature Communications.

Het internationale team, geleid door Dr. Marc Buckley van het Hereon Instituut voor Kust- en Oceaandynamica, heeft een doorbraak bereikt in de hoge-resolutie imaging van het oceanoppervlak. Met behulp van een speciaal ontwikkeld lasersysteem aan boord van het onderzoeksplatform FLIP (Floating Instrument Platform) in de Stille Oceaan, konden ze gedetailleerde beelden van luchtstromen maken op slechts enkele millimeters tot 1 meter boven het oceanoppervlak. Ze identificeerden twee mechanismen van koppeling tussen wind en golven die gelijktijdig plaatsvinden maar verschillend functioneren. Korte golven, van ongeveer een meter lang, bewegen langzamer dan de wind, wat een scheiding in de luchtstroom veroorzaakt: de golfkam blokkeert de wind, waardoor een drukverschil ontstaat dat energie aan de golf overdraagt. Lange golven, aan de andere kant—tot 100 meter lang—bewegen sneller dan de wind en genereren verschillende patronen in de luchtstroom door hun beweging. Deze mechanismen opereren gelijktijdig in verschillende delen van het golfveld—een cruciaal inzicht voor de vooruitgang van atmosferische en oceaanmodellen.

Relevantie voor weer, klimaat en mariene biochemie

De interacties tussen wind en golven zijn een centraal onderdeel van de klimaat- en weersystemen van de aarde. Hoewel het algemeen wordt aanvaard dat deze complexe interacties de uitwisseling van energie, warmte en broeikasgassen tussen de atmosfeer en de oceaan beheersen—en zo invloed hebben op de zeestand, het weer en de stromingen—blijven de mechanismen tot op heden grotendeels onbekend. Het onderzoeksteam is van plan om het systeem verder te ontwikkelen zodat ook bewegingen onder het wateroppervlak met grotere precisie kunnen worden vastgelegd. “Tot nu toe heeft niemand de luchtstroom zo dicht bij het oceanoppervlak gemeten, laat staan de mechanismen van energie-uitwisseling op zo’n fijne schaal in kaart gebracht,” zegt hoofdauteur Buckley. “Onze observaties werpen licht op een fysieke grens. Dit zal ons in staat stellen om het theoretische kader te verbeteren en nauwkeuriger beschrijvingen van de lucht-zeewisselprocessen te ontwikkelen, die tot nu toe slechts gedeeltelijk begrepen zijn.”

Unieke imaging boven de open oceaan

De beelden zijn gebaseerd op een laser die zowel door lucht als water gaat: de groene straal raakt waterdruppels die in de lucht zijn geïntroduceerd—vergelijkbaar met mist die door zonlicht wordt verlicht. Deze druppels volgen de beweging van de luchtstroom, verstrooien het laserlicht en maken zelfs de kleinste bewegingen in de lucht zichtbaar. Tegelijkertijd dringt de laser door het wateroppervlak. Op het door de wind aangedreven oppervlak wordt het licht gebroken—waardoor de structuur van het wateroppervlak zichtbaar wordt. Deze combinatie maakt het mogelijk om zowel de lucht- als de waterkant te visualiseren. De methode is gebaseerd op Particle Image Velocimetry (PIV), een gevestigde techniek in de vloeistofdynamica. PIV biedt nauwkeurige informatie over de stroomstructuur en windsnelheden. Dit is de eerste keer dat de techniek boven de open oceaan is gebruikt.