Grand Challenges In Physical Oceanography.docx

Grand Challenges in Physical Oceanography Introduction Oseanografi fisik adalah cabang ilmiah yang relatif muda, dibandingkan dengan biologi kelautan atau disiplin oseanografi lainnya, dan dengan sebagian besar disiplin ilmu fisika. Namun, karena pentingnya bagi perikanan dan perdagangan, fisika permukaan laut tentang arus dan gelombang telah diselidiki selama berabad-abad. Itu sebagian besar ilmu terapan; banyak ilmu fundamental di pedalaman lautan mungkin masih di depan kita. Ini mungkin ada hubungannya dengan tidak tersedianya lautan bagi umat manusia. Beberapa tantangan diberikan di sini, berdasarkan pada bias diagnosis kekurangan saat ini dalam penelitian oseanografi fisik.

Masalah Saat Ini Lingkungan fisik dan variasi dalam proses pemerintahannya memiliki dampak langsung pada kehidupan laut, ekonomi, atmosfer, dan ilmu iklim, masalah dinamika fluida dan semua disiplin ilmu oseanografi umum. Ini mungkin tidak dianggap sebagai masalah, melainkan sebagai tantangan yang mengasyikkan, kecuali bahwa pengetahuan kita saat ini tentang, terutama lautan dalam, prosesnya agak dangkal. Ahli kelautan fisik memiliki kesulitan dalam menempatkan angka pada fluks vertikal bahan (mis., Nutrisi) ke dalam zona fotografis; mereka tidak dapat secara tepat memprediksi efek dari berbagai iklim terhadap sirkulasi laut dan transportasi sedimen; mereka tidak tahu apakah badai menghancurkan organisme hidup dan ekologi mereka di laut dalam. Sebagian dari masalahnya adalah kurangnya pengamatan khusus, sedemikian rupa sehingga frasa “Kami tahu lebih banyak tentang bulan daripada lautan (dalam)” (mis., Thar, 2011; Kershner, 2015) masih sangat akurat. Kesulitannya terletak pada uang yang dihabiskan, dalam mengatasi kondisi tekanan ambien yang agak keras yang meningkat sebesar 1 Bar (satu "atmosfer") setiap 10 m, dari kandungan garam dan, di perairan dangkal, erosi sedimenologis dan instrumentasi yang memperburuk pertumbuhan biologis memburuk. , sementara, di perairan yang lebih dalam, kurangnya cahaya tidak memungkinkan foton matahari tunggal mencapai di bawah 1.000 m. Melakukan pengamatan lautan tidak langsung, juga karena luasnya lautan yang membutuhkan perencanaan yang matang sebelum melaut, bekerja dari anjungan tidak stabil seperti kapal yang mengendarai gelombang permukaan, sementara barang elektronik modern tidak tahan terhadap setetes air laut pun papan sirkuit. Pengamatan satelit memberi tahu kita banyak tentang permukaan dekat laut, tetapi tidak banyak tentang interior laut. Lautan jauh lebih transparan untuk akustik daripada cahaya, tetapi akustik menghasilkan penelitian kuantitatif terbatas pada dinamika laut karena reflektornya bervariasi dalam bentuk dan kepadatan. Sumber daya yang terbatas memaksa ahli kelautan untuk melakukan pengamatan dalam profil 1D spasial satu dimensi, baik dari kapal atau menggunakan instrumentasi mandiri yang ditambatkan di antara pelampung dan jangkar di bagian bawah. Dengan demikian tidak mengherankan bahwa sejumlah besar penelitian tentang aliran geofisika, khususnya pada dinamika laut yang menggerakkan sirkulasi skala besar dan kecil, telah dilakukan dalam teori terutama, sejauh ini. Dalam melakukannya, pembatasan dimulai dengan solvabilitas (analitik) primer Navier-Stokes "NS" yang saat ini masih belum diselesaikan, yang dengan sendirinya membentuk himpunan yang agak komprehensif. Meskipun sejumlah perkiraan yang masuk akal dibuat untuk aliran tertentu, nonlinier inheren dari persamaan ini adalah salah satu masalah luar biasa dalam fisika. Ini mungkin mengarah ke tantangan terbesar dalam fisika klasik, menurut Einstein (dan Feynman, https://en.wikipedia.org/wiki/Turbulence) dan sangat valid hingga saat ini,

menyiratkan bahwa tidak ada teori matematika dari prinsip pertama yang menjelaskan dinamika nonlinier yang mengarah ke aliran turbulen yang ada di mana-mana dalam aliran geofisika. Tanpa turbulensi, tidak ada kehidupan laut, tidak ada transportasi materi, tidak ada dinamika lautan. Tetapi, jika solusi matematis tidak ada, saat ini dapat menggunakan simulasi numerik yang, mengingat pesatnya perkembangan elektronik modern, dapat menemukan solusi perkiraan yang “cukup akurat”. Sayangnya, seperti awan yang membentuk masalah besar dalam pemodelan dan sains iklim (atmosfer) (Beniston, 2013), kami masih jauh dari benar memasukkan proses skala kecil dalam sirkulasi laut skala besar dan bahkan dalam model regional. Terlepas dari peningkatan luar biasa dalam keterampilan komputasi selama dekade terakhir, kami tidak memiliki petunjuk apakah satu goyangan ekor ikan teri akan mengubah Arus Kurushio atau menghasilkan badai bawah air. Selain dapat memahami proses individu tertentu, kami mengalami kesulitan memahami proses yang lebih kompleks. Sebagai contoh, lautan mungkin menjadi lebih hangat, tetapi itu tidak selalu secara langsung menyiratkan bahwa stratifikasi kepadatan stabil meningkat. Stratifikasi mendukung geser destabilisasi ke titik stabilitas marginal. Geser ini sebagian besar dipaksakan oleh gelombang internal yang didukung oleh stratifikasi yang sama, dan yang dengan demikian dapat membantu menghancurkan habitat mereka sendiri. Sebagai hasilnya, kami belum dapat memprediksi efek pemanasan laut (atau pendinginan) pada pertukaran diapycnal vertikal dari material yang tersuspensi dan terselesaikan. Prasangka berumur panjang pada mekanisme laut tertentu menghambat studi tentang mekanisme kopling potensial, karena sangat mungkin bahwa mekanisme pada skala cekungan laut besar (sirkulasi), pada skala meso (pusaran) dan skala kecil (turbulensi) semuanya lebih kurang terhubung.

Future Challenges Proses transportasi fisik yang mengatur lautan dan redistribusi bahan yang ditangguhkan dan material terlarut pada dasarnya adalah tiga dimensi pada skala bervariasi dari mm hingga 1000 km secara spasial dan dari 0,01 detik hingga bertahun-tahun secara temporal. Secara teknis kami masih memiliki jalan panjang untuk pergi dari pengamatan hari ini terutama 1D, meskipun satelit menyediakan pencitraan 2D dari permukaan laut. Sementara rasio aspek laut sekitar 1: 1000, mengingat kedalaman rata-rata 3,700 m dan lebar cekungan, proses skala meso memiliki rasio 1: 100 hingga 1:10 dan proses skala kecil memiliki rasio skala> 1:10 dan 1: 1, rasio penting untuk turbulensi yang dikembangkan sepenuhnya. Untuk memahami proses lautan yang relevan, kami membutuhkan informasi tentang kopling yang tepat antara semua skala. Kami membutuhkan informasi ini dari pengamatan yang melampaui 1D, setidaknya dalam 2D, lebih disukai 3D penuh, dan dalam skala waktu yang lama sambil menyelesaikan skala waktu terkecil. Salah satu pengembangan adalah pemasangan jaringan kabel di dasar laut, dengan instrumen yang diberdayakan dari pantai di mana mereka juga mengirim data mereka ke yang dapat dipantau secara real-time. Ini bisa menjadi ideal untuk penelitian partisipasi publik potensial untuk mengatasi set data besar yang diharapkan, asalkan dipandu dengan baik. Sementara dua cara utama menyelidiki arus, pada posisi tetap di ruang "Eulerian," setelah ahli matematika Swiss L. Euler, atau mengikuti partikel dan melacak posisinya "Lagrangean," setelah ahli matematika Prancis JL Lagrange, didefinisikan sejak abad XVIII, pengambilan sampel praktis dari proses oseanografi fisik memberikan citra yang kurang lebih kabur pada dinamika. Mooring tidak boleh bergerak menjadi Euler, yang secara fisik tidak mungkin karena gaya tarik dan daya apung utama tidak seimbang karena mereka hampir tegak lurus satu sama lain. Selama perencanaan yang cermat termasuk meminimalkan hambatan dengan menggunakan kabel tipis dan

memaksimalkan daya apung, seseorang dapat tiba di tambatan yang bergerak lemah hanya dengan arus skala besar saja, sehingga konsep Euler cukup baik didekati. Pembuatan profil kapal, dengan menurunkan paket instrumen pada kecepatan tipikal 0,5–1 m/s dan memetakan ke dalam quasi-2D dengan mengelompokkan beberapa stasiun CTD bersama dalam sebuah ensemble memerlukan transformasi yang agak berat atau asumsi sinopticity semu untuk mempelajari dasarnya kondisi dinamis atau terbatas proses dinamis. Demikian pula, data sampel melalui kendaraan otonom yang menjelajah samudera dengan kecepatan tipikal sekitar 0,25 ms ms 1, yang berada dalam kisaran yang sama dengan kecepatan aliran laut umum, dapat memberikan gambaran penampang melintang sifat laut tetapi sulit untuk berubah menjadi Euler. kerangka referensi Lagrangean. Mengingat dukungan teknis mereka yang kompleks diperlukan, maka tidak diperkirakan bahwa pengambilan sampel kendaraan seperti itu akan membatalkan penelitian di kapal dalam waktu dekat, juga karena kapal tetap diperlukan untuk menggunakan peralatan oseanografi lainnya seperti instrumentasi tertambat. Meskipun beberapa keberhasilan telah diperoleh dengan menggunakan drifter permukaan yang dilacak oleh satelit untuk memeriksa aliran dalam kerangka Lagrangean, tantangan utama adalah pengaturan dari eksperimen Lagrangean di laut dalam yang diikuti dengan (sejumlah besar) partikel, mis. melalui sistem pelacakan akustik dasar yang panjang. Sementara ini saat ini terbatas pada skala spasial kecil saja dan mungkin di masa mendatang diperluas ke skala meso, skala samudra besar tidak diharapkan untuk diselesaikan dengan demikian. Saat ini, skala cekungan samudera diselesaikan oleh jaringan yang mengesankan dari sekitar 3.800 drifter Argo (Argo, 2018), tetapi drifter ini hanya dilacak (melalui satelit) ketika mereka mengirimkan data setelah muncul kembali ke permukaan, setiap beberapa hari. Pengamatan seperti itu penting untuk memantau keadaan lautan, tetapi sulit digunakan untuk memahami pengaruh dinamis skala kecil dan skala meso pada skala besar, dalam kerangka Lagrangean yang tepat. Sementara penelitian semua skala dapat membuktikan tantangan yang terlalu besar secara observasi, langkah berikutnya ke bawah (atau ke atas) adalah mempelajari proses sedemikian rupa sehingga mereka dapat menjadi parameter yang tepat dalam pemodelan laut. Parameter seperti itu hanya dapat didasarkan pada pengetahuan menyeluruh tentang proses fisik yang mendasarinya. Kemajuan daya komputasi sangat cepat sehingga, masih pada skala yang relatif kecil, pemodelan DNS yang kuat dapat secara progresif menangani skala yang lebih besar dan aliran yang lebih kompleks. (Simulasi Numerik Langsung secara numerik memecahkan persamaan NS lengkap di semua skala meskipun hingga batas komputasi, tanpa model turbulensi). Namun demikian, angka Reynolds yang besar khas untuk sebagian besar wilayah lautan dan menyiratkan keberadaan ubun-ubun turbulensi masih (jauh? -) tantangan di masa depan untuk sebagian besar DNS "geometri realistis". Pekerjaan juga masih dalam proses pengembangan model DNS skala sub-grid menjadi model LES yang lebih murah secara komputasi dan hanya menyelesaikan skala besar (eddy). Mungkin pengaturan yang lebih baik adalah memasukkan LES pertama ke laut regional dan model sirkulasi laut berskala besar, karena efek pusaran laut tidak dipahami dengan baik pada transportasi panas, misalnya. Namun, analisis model numerik dan analitis sederhana diperlukan untuk memahami berbagai masalah skala kecil dan skala meso yang ada. Sementara kita kekurangan teori fisika turbulensi yang mendasar, beberapa masalah geofisika menunggu deskripsi teoretis. Pemindahan energi yang tepat dari gelombang linier ke gelombang nonlinier (internal) dan pemecahannya tidak terpecahkan. Dinamika batas di atas topografi yang landai dan pemecah gelombang berbeda dari model aliran gesekan di atas dasar datar. Hal yang sama untuk interaksi antara pusaran skala meso dan pengaruhnya terhadap transportasi panas laut. Sementara sumber energi utama yang menggerakkan laut diketahui, seperti Matahari, rotasi dan

pasang surut Bumi, proses interaksi mereka yang tepat adalah masalah utama yang luar biasa. Terjadinya peristiwa ekstrem harus diambil lebih jauh daripada deskripsi statistik. Masalah seperti itu tidak hanya menantang untuk oseanografi fisik, tetapi juga untuk dampaknya terhadap kehidupan laut dan disiplin ilmu lainnya.

Kesimpulan Lautan kelihatannya luas dan tidak diketahui, tetapi meskipun kita tidak sepenuhnya memahami kemampuan sistem umpan balik untuk berbagai dampak, ada kecenderungan ke arah konsensus umum bahwa itu rentan. Lautan tidak hanya rentan terhadap polusi, dalam perilaku langsung seperti pembuangan plastik dan penangkapan ikan yang berlebihan atau dalam perilaku tidak langsung seperti pemanasan buatan, kemungkinan rentan terhadap hal-hal yang tidak diketahui seperti keruntuhan lapisan es dan ekstraksi energi (pasang-surut) manusia. Pengetahuan yang lebih baik tentang mengatur proses oseanografi fisik diperlukan untuk membantah prasangka yang terusmenerus. Ada yang mengatakan gerakan air mengandung "banyak energi." Namun, ada relatif sedikit energi dalam pasang surut, sejauh ini tidak cukup untuk menutupi konsumsi daya manusia, tetapi sangat penting untuk berbagai efek mulai dari pemeliharaan stratifikasi laut dan sirkulasi terbalik, melalui pencampuran turbulen diapycnal, ke pembibitan perikanan paling penting di muara. Ada yang mengatakan Gulf Stream dapat mengubah arah. Namun, pendorong utama bukanlah variasi kepadatan lautan tetapi rotasi bumi dan angin, yang tidak akan secara signifikan saltered pada skala waktu yang singkat (Wunsch, 2004).

Kontribusi Penulis Penulis menegaskan sebagai kontributor tunggal dari karya ini dan telah menyetujui untuk publikasi.

Pernyataan Benturan Kepentingan Penulis menyatakan bahwa penelitian ini dilakukan tanpa adanya hubungan komersial atau keuangan yang dapat ditafsirkan sebagai potensi konflik kepentingan.