Hydrodynamik und durch Mesozooplankton-Schwärme induzierte Vermischung mit der Umgebungsströmung
Inhaltsverzeichnis
Projektbeschreibung
Verständnis der Auswirkungen von Mesozooplankton-Schwärmen auf die Durchmischung der Ozeane.
Die Durchmischung der Ozeane spielt eine grundlegende Rolle bei der Regulierung des Transports von gelöstem Sauerstoff, Nährstoffen und Kohlenstoff in marinen Ökosystemen. Jüngste Studien deuten darauf hin, dass Schwärme von sich selbst fortbewegendem Mesozooplankton, die in den Weltmeeren weit verbreitet sind, durch ihre kollektive Vertikalwanderung erheblich zu diesem Prozess beitragen können. Obwohl Laborexperimente und numerische Studien einen durch wandernde Schwimmer induzierten großräumigen Stofftransport nachgewiesen haben, sind die für diesen Prozess verantwortlichen hydrodynamischen Mechanismen nach wie vor kaum verstanden.
HyFloz untersucht, wie kollektives Schwimmen die umgebende Strömung und die Vermischung der Umgebungsflüssigkeit beeinflusst. Durch die Kombination von numerischen Simulationen mit geometrisch aufgelöster Berücksichtigung der Schwimmerdynamik und theoretischen Analysen verbindet das Projekt individuelles Schwimmverhalten, kollektive Wanderung und die daraus resultierende Hydrodynamik der Umgebungsflüssigkeit und liefert so neue Erkenntnisse über die biogene Vermischung im Ozean.
Die Konfiguration der Simulationen und ein Ausschnitt der vertikalen Geschwindigkeit.
Die Wissenschaft
Von einzelnen Schwimmern bis hin zu großräumigen Vermischungsprozessen im Ozean.
Es hat sich gezeigt, dass vertikal wanderndes Zooplankton Strömungsbewegungen erzeugt, die weit über die Größe einzelner Organismen hinausreichen. Die genaue Quantifizierung ihres Beitrags zur Durchmischung der Ozeane stellt jedoch nach wie vor eine Herausforderung dar, da sich das unter Laborbedingungen beobachtete Schwimmverhalten erheblich von dem unterscheidet, das bei der kollektiven Wanderung in natürlichen Meeresumgebungen auftritt. Daher sind die physikalischen Mechanismen, die das individuelle Schwimmverhalten mit der großräumigen Durchmischung verknüpfen, noch nicht vollständig verstanden.
Um diesen Zusammenhang zu verstehen, müssen sowohl das Schwimmverhalten einzelner Organismen als auch die hydrodynamische Interaktion mit der umgebenden Flüssigkeit untersucht werden. HyFloz konzentriert sich daher auf die Wechselwirkungen zwischen Schwimmern und der Umgebungsströmung über verschiedene Skalen hinweg - von der individuellen Fortbewegung bis hin zur durch Schwärme verursachten Durchmischung.
Unsere Methode
Direkte numerische Simulationen mit Schwimmerauflösung
HyFloz kombiniert vollständig gekoppelte, schwimmerauflösende direkte numerische Simulationen (DNS) mit theoretischen Analysen, um die Wechselwirkung zwischen Mesozooplankton-Schwärmen und der umgebenden Strömung zu untersuchen. Einzelne Mesozooplankton-Partikel werden durch kugelförmige „Squirmer“-Modelle dargestellt, die in homogenen und geschichteten Flüssigkeiten schwimmen.
Die instationären Navier-Stokes-Gleichungen werden zusammen mit den maßgeblichen Gleichungen für die Bewegung des Schwimmers gelöst. Fluid-Struktur-Wechselwirkungen werden mithilfe der Immersed-Boundary-Methode (IBM) und der Volume-of-Fluid-Methode (VoF) modelliert, wobei alle Simulationen mit dem eigens entwickelten Programm PARTIES durchgeführt werden. Die resultierenden Datensätze werden analysiert, um das Schwimmverhalten, Strömungsstrukturen, den genetischen Drift, die Energiebilanz und die Vermischungseffizienz über einen breiten Bereich von Schwimm- und Umgebungsbedingungen zu charakterisieren.
Schwimmverhalten © TPH
Das Strömungsfeld um die Schwimmer herum © TPH
Projektziele
Zwei wissenschaftliche Fragestellungen stehen im Mittelpunkt des HyFloz-Projekts.
1. Ziel
Wie beeinflusst die kollektive Wanderung das Schwimmverhalten einzelner Mesozooplanktonorganismen?
Die kollektive Wanderung kann die Schwimmdynamik einzelner Organismen durch hydrodynamische Wechselwirkungen mit benachbarten Schwimmern und der umgebenden Flüssigkeit verändern. HyFloz untersucht die Entwicklung von Schwimmgeschwindigkeit, Schwimmrichtung und Antriebskraft während der kollektiven Wanderung sowie die Auswirkungen von Schwimmergröße, Auftrieb, Körperausrichtung, Schwimmeranzahldichte und Schichtung der Umgebungsflüssigkeit.
2. Ziel
Wie beeinflussen kollektive Schwimmverhalten die Vermischung mit der Umgebungsströmung?
Unterschiedliche kollektive Schwimmverhalten führen zu unterschiedlichen Strömungsstrukturen und Vermischungseigenschaften. HyFloz quantifiziert die Umgebungsströmung durch Analysen der darwinistischen Drift, der Strömungsstrukturen, des Energiebilanz und der Vermischungseffizienz. Diese Ergebnisse belegen den Zusammenhang zwischen kollektivem Schwimmverhalten und der Vermischung mit der Umgebungsströmung und liefern neue Erkenntnisse über die physikalischen Mechanismen, die für die biogene Vermischung und die Umverteilung von gelöstem Sauerstoff, Nährstoffen und Kohlenstoff in Meeresumgebungen verantwortlich sind.
Projektteam & Finanzierung
Projektleiter
Prof. Dr.-Ing. Bernhard Vowinckel (TU Dresden)
Leitender Wissenschaftler
Dr. Rui Zhu (TU Dresden)
Der leitende Forscher, der die Simulationskampagnen, die Code-Implementierung und die Datenanalyse leitet.
Förderinstitution
Dieses Projekt wird mit freundlicher Unterstützung von der Alexander-von-Humboldt-Stiftung gefördert (Humboldt-Forschungsstipendium für Postdoktoranden).