Grootschalige oceaancirculatie.

Het onderzoek naar de circulatie en thermodynamische toestand van de oceaan richt zich op klimaatgerelateerde variabiliteit van de oceaan, diepe convectie en de thermohaliene circulatie (THC). Het waarnemingswerk met verankerde meetsystemen en langs (jaarlijks) herhaald uitgevoerde opnames richt zich op tijdschalen van een seizoen en langer tot aan enkele tientallen jaren. Zulk onderzoek wordt meestal uitgevoerd als onderdeel van internationale programma's, waardoor het onderzoeksgebied uitgebreid wordt vastgelegd. Brandpunten hierbij zijn het Mozambique Kanaal en de noordelijke Noord-Atlantische Oceaan, die beide belangrijke routes zijn voor de mondiale thermohaliene circulatie.

In dit onderzoeksthema wordt oceaanonderzoek uitgevoerd waarbij sprake is van belangrijke zeegaande activiteiten. Hierbij krijgen onderwerpen die relevant zijn voor het klimaat de nadruk. Het onderzoek richt zich voornamelijk op de grootschalige circulatie en de hydrografie. Dat laatste in de betekenis van het begrijpen van de verdeling van temperatuur, zoutgehalte en andere opgeloste stoffen onder invloed van de zeestromingen. Recent werd dit onderoek uitgevoerd als onderdeel van grote internationale programma's zoals WOCE, OMEX, INSTANT en CLIVAR. Op het ogenblik wordt het onderzoek uitgevoerd als onderdeel van de programma's THOR en NACLIM als deel van de EU kaderprogramma's. Deze richten zich op de studie van klimaatverandering en klimaatvoorspelling.

DE mondiale thermohaliene circulatie is bestudeerd met verankerde stroommeters in Indonesië, het Mozambique Kanaal, de Oos-Madagascarstroom, de Agulhasstroom en de Atlantische Oceaan. Een belangrijke activiteit is de tweejaarlijkse hydrografische opname van de vroegere WOCE AR7E lijn tussen Groenland en Ierland. Deze regelmatige opname, die al sinds 1990 wordt uitgevoerd, vormt een belangrijke bijdrage aan de EU-programma's THOR en NACLIM. Ze vormen ook een goede gelegenheid voor het trainen van studenten van de Universiteit Utrecht in het gebruik van moderne apparatuur en het uitvoeren van een waarnemingsprogramma. Onderzoekers uit andere disciplines maken gebruik van deze tochten om oceaanwijd hun waarnemingen uit te voeren. In NACLIN worden ook verankerde stroommeter uitgezet boven de Reykjanes Rug en in Straat Denemarken.

De afdeling Fysische Oceanografie neemt ook deel aan programma's van andere afdelingen (bijv. TRANSAT, Archimedes en GEOTRACES) waarbij een goed begrip van de oceaancirculatie onmisbaar is.

Getijden en turbulentie in de oceaan.

Voor de studie van interne golven en turbulente menging worden waarnemingsprojecten uitgevoerd in de Atlantische Oceaan en de Middellandse Zee. Hierbij wordt een op het NIOZ ontwikkelde keten van snelle en nauwkeurige temperatuursensoren (thermistor string NIOZ4) gebruikt. Het alomvattende thema van dit onderzoek is om de interactie tussen de dichtheidsgelaagdheid in de oceaan en de interne golven uit te pluizen. De golven bestaan vanwege de gelaagdheid, maar als ze breken zal de resulterende turbulentie die gelaagdheid afbreken. Voor de studie van de voortplanting van interne golven in een ideale context worden theoretische en numerieke modellen gebruikt. Ook wordt gebruik gemaakt van hydraulische modellen bij het NIOZ en bij andere Europese faciliteiten.

Doordat de oceaan stabiel gelaagd, is kunnen zich hierin interne zwaartekrachtsgolven voortplanten. Afhankelijk van de aard van de gelaagdheid (de verticale verandering van de dichtheid) planten deze golven zich schuin voort (wanneer de gelaagdheid min of meer uniform is) of horizontaal (wanneer de gelaagdheid in een enkele spronglaag geconcentreerd is).  In beide gevallen wordt energie en impuls ergens vandaan ergens naartoe getransporteerd. Als die energie die op je juiste plaats aankomt, kan deze daarbij beschikbaar komen voor turbulente menging. Zulke golfprocessen zijn waargenomen in de diepe oceaan zowel als in de ondiepe Waddenzee, en zelfs bij het strand van Texel in een waterdiepte van ~1.5 m

Deze interne golven lijken een belangrijke rol te spelen voor het handhaven van de grootschalige diepe oceaancirculatie, door warmte naar de diepzee te laten mengen. Die menging is ook belangrijk voor mariene levensgemeenschappen, doordat ze via het turbulente transport van nutriënten de primaire productie in stand houdt. De belangrijke golftypes die hierbij een rol spelen door hun persistent karakter zijn interne getijgolven (interne zwaartekrachtgolven met een getijperiode) en inertiaalgolven (golven met een periode gelijk aan 2 maal de aardrotatie om een locaal verticale as).

Interne golven worden bestudeerd met waarnemingen in zee, hydraulische en computermodellen en met mathematisch-fysisch onderzoek. Voor het waarnemen in zee van interne golven (ook een soort schokgolven of solibores) die reflecteren of breken boven een hellende bodem zijn, in samenwerking met de technische afdelingen, snelle en zeer precieze thermistors ontwikkeld. Gekoppeld in een keten of thermistorstring worden hiermee waarnemingen uitgevoers in de diepzee, maar ook in de Grevelingen of bij het Texelse strand. Voor laboratoriumexperimenten is een golfbak ontwikkeld waarin verschillende soorten gelaagdheid kunnen worden gesimuleerd. De waterbeweging in de interne golven wordt met video opgenomen, en daarna gedigitaliseerd, zodat het 2-D snelheidsveld in detail wordt vastgelegd. Voor het simuleren van de opwekking van zulke interne golven beschikt FYS ook over computermodellen.

Model simulatie van een interne golf reflecterend op een hellend vlak.

Dynamica van de kustzone en van ondiepe zeeën.

Het Kustonderzoek in de ondiepe wateren van Nederland (Waddenzee, Delta en de Hollandse kustzone) is altijd een van de natuurlijke brandpunten geweest van de afdeling FYS. In de laatste jaren is dit onderzoek sterk toegenomen. Al meer dan tien jaar wordt de toestand van met Marsdiep vastgelgd met instrumenten die zijn gemonteerde op de TESO-veerboot tussen Den Helder en Texel (stroometingen, slibgehalte, kleur van het water). Het dagelijks monitoren van de temperatuur en het zoutgehalte van het Marsdiep wordt al sinds 1860 uitgevoerd, en is tegenwoordig onderdeel van een heel multidisciplinair waarnemingspakket in het IN PLACE-programma. Een belangrijke stap is gezet met het implementeren van het GETM/GOTM computermodel. Dit belangrijke stuk gereedschap wordt ingezet voor het bestuderen van stromingen, maar ook van het transport van slib of vislarven., in de Waddenzee en de zuidelijke Noordzee.

In dit onderzoeksthema worden studies uitgevoerd in de relatief ondiepe kustzone en estuaria, waarbij gebruik wordt gemaakt van zowel veldwaarnemingen, experimenten in het laboratorium, en theoretische en numerieke modellen. Dit onderwerp was al begonnen voor de oprichting van de afdeling FYS in de jaren 70, geïnspireerd door het belang van de getijstromen in het Marsdiep voor de ecologie van de Waddenzee. De afdeling is ook betrokken geraakt bij projecten in de Hollandse kustzone van de Noordzee. In principe ligt het brandpunt van het onderzoek bij waarnemingsprogramma's maar recent is ook een systeem van numerieke modellen, gebaseerd op de GETM/GOTM codes, gerealiseerd.

Erosie van het sediment en het hierop volgende transport en sedimentatie van gesuspendeerd materiaal (slib) vormen brandpunten bij het kustonderzoek van FYS. Een gedetailleerde analyse van de uitwisseling van water en slib tussen de Hollandse kustzone en de Waddenzee wordt uitgevoerd, gebaseerd op de akoestische stroomwaarnemingen vanaf de TESO-veerboot in het Marsdiep. Vergelijkbaar onderzoek, maar dan met onderzoekschepen en verankerde instrumenten, wordt ook uitgevoerd als onderdeel van het ECOSHAPE programma "Building with Nature". De ervaring met computermodellen, opgedaan bij deze programma's wordt nu ook gebruikt bij de de numerieke simulatie van het transport van vislarven in de Noordzee en Waddenzee.

Vanuit een voorbereidend onderzoek naar getijstromen ten behoeve van de een drijvende getij-energiecentrale in het Marsdiep is een programma ontwikkeld naar de variatie in ruimte en tijd van de getijstromen, en het zoutgehalte in de Waddenzee. Waarnemingen worden uitgevoerd met verankerde instrumenten, een onderzoekschip, optische sensoren, speciale turbulentiesensoren. De waarnemingen, dagelijks op 32 overtochten uitgevoerd vanaf de veerboot, dragen ook nog bij aan de uiteindelijke dataset.

De dagelijkse waarnemingen van temperatuur en zoutgehalte (sinds 1860), nu uitgevoerd vanaf de NIOZ-steiger, dragen bij aan een zich ontwikkelende multidisciplinaire tijdreeks van milieufactoren. Automatische kleurwaarnemingen van het Marsdiep, waaruit chlorofyl- en slibgehalte kunnen worden afgeleid, dragen ook hieraan bij.  Dergelijke kleursensoren, en sensoren voor temperatuur, zoutgehalte, en waterhoogte zijn ook geplaatst op het Balgzand als onderdeel van het multidisciplinaire IN PLACE-programma.