Internal seiche field in thermally stratified lakes

Orientador: Dr.-Ing Tobias BleningerCoorientador: Dr. Andreas LorkeTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, e a a Universidade de Kaiserslautern-Landau. Defesa : Curitiba, 27/06/2023Inclui referências: p. 99-109Área de concentração: Engenharia AmbientalResumo: As ondas internas são oscilações que ocorrem no interior um fluido estável estratificado. Em lagos e reservatórios, essas ondas têm sido detectadas e apontadas como um dos processos mais importantes para a dinâmica e mistura vertical que ocorem nestes ambientes. Uma fração do momento e da energia do vento que atravessa a superfície da água é responsável por gerar seichas internas. Apesar do grande número de publicações descrevendo diferentes mecanismos que podem influenciar as taxas de dissipação e acelerar o amortecimento das ondas internas em lagos e reservatórios termicamente estratificados, muitos detalhes de sua aplicação em observações de campo são específicos de locais e não buscam avaliar os efeitos de forma combinada. Esta pesquisa tem como objetivo avaliar alguns mecanismos que podem contribuir para inibir a geração de seichas internas através de medições de campo e simulações numéricas. Os resultados destacam a importância da batimetria na dissipação de energia cinética turbulenta, indicando que o fundo inclinado atua como um mecanismo principal para inibir a formação de seichas internas. A morfologia dos lagos e reservatórios e a mistura autoinduzida atuam como mecanismos secundários para extrair energia de eventos de ressurgência, que são responsáveis por desencadear a formação e evolução de seichas internas em lagos termicamente estratificados. Simulações numéricas indicam que uma maior quantidade de energia é transferida do vento para a seicha interna à medida que a estratificação foge de uma estrutura de duas camadas, sugerindo que o perfil de estratificação não é responsável por inibir a ocorrência de seichas internas, mas pode modificar sua estrutura, favorecendo a formação de ondas internas com modos verticais superiores. O resultado deste estudo pode ser de grande relevância na descrição do ciclo biogeoquímico em lagos e reservatórios, uma vez que cada mecanismo pode ter diferentes efeitos desencadeadores no ciclo de nutrientes e outros elementos em lagos termicamente estratificados.Abstract: Internal waves are oscillating disturbances within a stable density-stratified fluid. In stratified water basins, these waves have been detected and pointed out as one of the most important processes of water movement and vertical mixing. A fraction of the wind momentum and energy that cross the water surface are responsible for generating large standing internal waves, also called basin-scale internal seiches, in stratified basins. Despite the huge number of publications describing different mechanisms that can influence the dissipation rates and accelerate the wave damping of internal seiche in thermally stratified lakes and reservoirs, many details of their application to field observations are site specific and do not evaluate the effects in a combined way. This research paid particular attention to some mechanisms that may contribute in inhibiting the generation of internal seiche through field measurements and numerical simulations. Our results underline the importance of bathymetry on energy dissipation, indicating that the gentle sloping bottom may act as a primary mechanism to inhibit the formation of internal seiches. The basin shapes (reservoir bends) and self-induced mixing near the wave crest act as secondary mechanisms to extract energy from upwelling events, which is responsible for triggering internal seiches in thermally stratified lakes. Numerical simulations indicate that a higher amount of energy is transferred from the wind to the internal seiche for an increasing deviation of the stratification from a two-layer structure, suggesting that the stratification profile is not responsible for inhibiting the occurrence of basin-scale internal waves, but only for modifying its structure, favoring the formation of internal waves with higher vertical modes. The outcome of this study may be of great relevance in describing the biogeochemical cycle in lakes and reservoirs, since each mechanism may have different trigger effects on the cycle of nutrients and other elements in thermally stratified lakes