Interaktion mellan atmosfär och vatten

Samspelet mellan luft och vatten är komplext och beror i grund och botten på de skillnader som de två medierna har vad det gäller t.ex. värmekapacitet och turbulensnivå. Luft-vatteninteraktioner spelar en avgörande roll i väder- och klimatsystemet eftersom de styr den viktiga transporten av rörelsemängd, värme, gaser och partiklar. Ju bättre vi kan förstå processerna som styr samspelet luft och vatten desto bättre förutsägelser kan vi göra vädret och klimatet.

Luft-vatten-interaktion har varit vårt forskningsfokus i årtionden, inklusive havsvågor, turbulenta flöden, koldioxid (CO₂) och metan (CH₄), marina aerosoler och övre havsturbulens. Forskningsmålet är att beskriva dessa processer mer exakt och representera dem i väder- och klimatmodeller. Vi använder ett brett spektrum av metoder för att studera problemet: In situ-mätningar, fjärranalys och numeriska simuleringar. Observationsplattformarna inkluderar de permanenta stationerna Östergarnsholm, Erken och olika tillfälliga plattformar under särskilda fältförsök. De numeriska modellerna inkluderar ”Large-Eddy”-simuleringar, regionala modeller och ”Earth System”-modeller. Två delforskningsteman ingår: luft-hav-interaktion och luft-sjö-interaktion.

Luft-havinteraktioner

Kopplingen mellan hav och atmosfär är en viktig länk i klimatsystemet eftersom den representerar gränsen mellan två av jordens dominerande sfärer. Utbytet av rörelsemängd, värme, gas och partiklar mellan hav och atmosfär påverkar energi-, vatten- och kolcyklerna och den kemiska och biokemiska sammansättningen i både atmosfären och i havet.
Havsvågor är viktiga ur många perspektiv. Dels behöver de modelleras på ett bra sätt för båttrafik, vågenergitillämpningar och för skydd av kustområden men de påverkar också det vertikala flödena av aerosoler och gaser och är viktiga för att förstå kolbudgeten i både havet och atmosfären. Primära marina aerosoler från brytande vågor är den största globala aerosolkällan och påverkar atmosfärens egenskaper och klimatet över havet och en stor del av de kontinentala landmassorna. De marina aerosolerna fungerar båda som molnkondensationskärnor och reflekterar den inkommande solstrålningen.
Vågor och utbytet mellan hav och atmosfär är dessutom viktiga komponenter när det kommer till att modellera klimatsystemet då de utgör gränsytan mellan dessa två sfärer. Vågorna interagerar med havet och luften på ett flertal olika sätt. Vår forskning fokuserar framförallt på vågornas påverkan på turbulensen både i luften på grund av dyningsvågor och i havet på grund av Langmuirturbulens samt på dyningsvågornas påverkan på ytfriktionen. Dessa mekanismer har nyligen visats, både av vår forskargrupp men även av andra, agera annorlunda än man tidigare trott och har en signifikant betydelse i modeller på grund av vikten av sekundära processer. För att utveckla en förbättrad parameterisering av detta kommer vi att använda ett flertal olika experiment för att täcka en stor mängd olika vågförhållanden. En toppmodern regional modell som kopplar luft, vågor, hav och is med varandra (Uppsala University-Coupled Model, UU-CM) har därför utvecklats i vår grupp och kopplingsmetodiken kommer också att implementeras i den globala modellen EC-Earth.

Pågående projekt

Personer: Leonie Esters, Lucia Gutierrez Loza, Monica Mårtensson, Anna Rutgersson, Lichuan Wu

Experimentella sjöstudier

Sjöars roll i kolets globala kretslopp har uppmärksammats mycket i den vetenskapliga litteraturen den senaste tiden. Det har visat sig att sjöar och andra sötvattenssystem, som täcker <1% av jordytan, naturligt släpper ut väldigt stora mängder koldioxid (CO2) och metan (CH4) till atmosfären. Man har uppskattat att mängden av dessa naturliga utsläpp är av samma storleksordning som nettoupptaget av världshaven som täcker en avsevärt större del av jordytan, ca 70%. Dessa uppskattningar motiverar fler studier på ämnet.
Forskningen mål är att mer exakt försöka bestämma mängden av dessa växthusgaser som släpps ut till atmosfären från sjöar samt att förstå de processer som styr sjöarnas utbyte av gas med atmosfären. Detta gör vi genom att bedriva fältmätningar. I våra studier ingår även att utvärdera metodiken för hur man bäst gör dessa mätningar.
Sedan 2010 har vi drivit en mätstation med instrument för att direkt mäta mängden CO2 och CH4 som släpps ut från sjöar. Instrumenteringen är speciellt anpassad för att klara av att mäta flödet som drivs av de turbulenta virvlarna som finns i atmosfären närmst jordytan. För att kunna koppla de uppmätta flödena till relevanta processer mäter vi även andra saker såsom meteorologiska parametrar (t.ex. lufttemperatur och vindhastighet) och vattnets egenskaper, t.ex. mängden löst CO2 i vattnet och vattentemperaturen. Under speciella mätkampanjer lägger vi till ytterligare instrumentering, t.ex. mätningar av vattnets rörelse, vågor och turbulens. Detat är parametrar som förmodligen är viktiga när man ska avgöra hur mycket växthuser som rör sig mellan luften och vattnet.
Mätningarna har utförts på tre olika sjöar: 2010-2012 på Tämnaren, en relativt stor (38 km2) och grund (max djup ca 2 m) sjö som ligger 5 mil norr om Uppsala. 2012-2015 på Erssjön i Skogaryd området, en liten skogsjö (0.07 km2) som ligger 10 mil norr om Göteborg. Från september 2014 så utför vi mätningarna på Erken (23.7 km2), 5 mil öster om Uppsala. Erken är en del av den svenska nationella infrastrukturen för ekosystemforskning SITES.

Personer: Leonie Esters, Erik Sahlée