Measurements of bubble plumes and turbulence from a submarine

Abstract

An experiment using turbulence probes and an array of side‐scan and vertically pointing pencil beam sonars mounted on the U.S. submarine Dolphin was carried out to measure turbulence in near‐surface regions of acoustic scattering, in particular, those caused by subsurface bubbles produced by breaking wind waves. The dataset collected during winds of 5–9 m s⁻¹ reveals the banded patterns of bubbles associated with Langmuir circulation, even though no surface manifestations were visible.

A forward‐pointing side‐scan sonar determined the “age” of bubble clouds after their generation by breaking waves. There is enhanced turbulent dissipation in the bubble clouds, and the dissipation rate close to the surface exceeds that predicted using conventional calculations based on the law of the wall and buoyancy flux. The correspondence between bubbles and turbulence implies a horizontally patchy turbulent structure near the surface. Below the base of the bubble clouds the distance between turbulent patches increases and is much greater than that of the bubble clouds. The submarine provides an excellent platform for multi‐sonar near‐surface studies.

Résumé

On a fait une expérience utilisant des sondes de turbulence et un ensemble de sonars à balayage latéral et à faisceau vertical très mince installés sur le sous‐marin U.S. Dolphin pour mesurer la turbulence dans les régions de dispersion acoustique près de la surface, en particulier celle qui résulte des bulles de surface produites par les vagues brisées par le vent. L'ensemble de données collectées durant des vents de 5 à 9 m s⁻¹ montre les configurations en bande des bulles associées à une circulation Langmuir, même si aucune manifestation ne se présente à la surface.

Un sonar à balayage latéral pointé vers l'avant a determiné l'âge des nuages de bulles après leur création par les vagues cassantes. Il y a une dissipation turbulente accrue dans les nuages de bulles, et le taux de dissipation, près de la surface, dépasse la prévision par calculs conventionnels basée sur la loi du mur et sur le flux de flottabilité. La correspondance entre les bulles et la turbulence suggère une structure horizontale turbulente inégale près de la surface. Sous la base des nuages de bulles, la distance entre les blocs de turbulence augmente et est beaucoup plus grande que celle des nuages de bulles. Le sous‐marin est une excellente plate‐forme pour des études utilisant plusieurs sonars près de la surface.