Characterising turbulent ship wakes from an environmental impact perspective
Doctoral thesis, 2023

The world’s oceans, especially coastal areas, are intensively trafficked by ships. All these ships exert pressure on the marine environment, through emission to the atmosphere, discharges of pollutants to the water, and physical disturbance through energy input. Of these impacts, energy pollution from shipping has received the least attention. Especially the impact of ship-induced turbulence in the wake, which is induced by the hull friction and propeller, and remains for up to 15 minutes. The turbulent wake can impact the spread of contaminants, affect air-sea gas exchange, physically disturb plankton, and potentially impact local biogeochemistry through increased entrainment and vertical mixing. To assess these impacts, an understanding of the turbulent wake development and interaction with surface ocean stratification, is essential. However, characterisation of the turbulent wake development in time and space, especially in stratified conditions, is challenging and requires an interdisciplinary approach.  

The aim of this thesis is to advance the understanding of turbulent wake development from an environmental impact perspective. The intensity and spatiotemporal extent of the turbulent wake, and its impact, have been investigated through a combination of in situ and ex situ observations, and Computational Fluid Dynamic (CFD) modelling of ships in full-scale. The unique dataset of several hundred in situ turbulent wake observations, showed large variation in spatiotemporal extent and intensity. Wake depths can reach down to 30 m, and the turbulent intensities in the near wake are 1–3 orders of magnitude higher than generally observed in the upper ocean surface layer. In addition, during stratified conditions ship-induced turbulence entrain water from below the pycnocline, with implications for local nutrient input and primary production in the ocean surface layer. In addition, ship-passages were observed to frequently trigger large methane emissions in an estuarine shipping lane.

The results highlight the importance of addressing ship-induced turbulence in marine environmental management. Intensively trafficked coastal areas should be considered anthropogenically impacted, even unnatural, with respect to turbulence. The interdisciplinary approach applied in this thesis, is a first step towards a holistic assessment of the environmental impact of the turbulent wake.

stratification

ship wake

turbulence

methane emission

shipping

energy pollution

environmental impact

Beta, Sagahuset, Hörselgången 4, Lindholmen, Göteborg
Opponent: Professor Corinna Schrum, Helmholtz-Zentrum Hereon, Geesthacht, Germany

Author

Amanda Nylund

Chalmers, Mechanics and Maritime Sciences (M2), Maritime Studies

In situ observations of turbulent ship wakes and their spatiotemporal extent

Ocean Science,;Vol. 17(2021)p. 1285-1302

Journal article

Deep learning for deep waters: An expert-in-the-loop machine learning framework for marine sciences

Journal of Marine Science and Engineering,;Vol. 9(2021)p. 1-18

Journal article

Världens hav, och speciellt kustnära områden, är intensivt trafikerade av fartyg. Alla dessa fartyg påverkar den marina miljön via luftutsläpp till atmosfären, utsläpp av olika föroreningar till vattnet, och fysisk påverkan genom tillförsel av energi. Av dessa olika typer av påverkan, så har tillförseln av energi från fartyg studerats minst. Det gäller framför allt påverkan från fartygsinducerad omblandning i kölvattnet (turbulenta vaken), vilken genereras av friktion från skrovet och propellern, och kan bestå i upp till 15 minuter. Den turbulenta vaken kan påverka hur föroreningar sprids, gasutbytet mellan hav och atmosfär, den kan utsätta plankton för fysisk påverkan, och kan potentiellt påverka lokal biogeokemi genom en ökad vertikal omblandning och uppblandning av näringsrikt djupvatten. För att uppskatta dessa olika typer av påverkan, så krävs förståelse för hur den turbulenta vaken utvecklas över tid och hur vaken interagerar med ett skiktat ytvattnet. Att karaktärisera den turbulenta vakens utveckling i tid och rum är dock komplicerat, speciellt under skiktade förhållanden, och kräver ett tvärvetenskapligt tillvägagångssätt.

Syftet med denna avhandling är att öka förståelsen för den turbulenta vakens utveckling utifrån ett miljöpåverkansperspektiv. Vakens intensitet, samt utveckling i tid och rum, har studerats genom en kombination av in situ och ex situ observationen, och beräkningsströmningsdynamik (CFD) modellering av fartyg i verklig skala. Det unika datasetet av hundratals in situ observationer av den turbulenta vaken, visade stor variation av utbredning i tid och rum, samt intensitet. Vakar kan nå ner till 30 m djup och den turbulenta intensiteten i vakområdet närmast fartyget är 1–3 storleksordningar större än vad som vanligtvis uppmäts i den övre delen av vattenmassan. Under skiktade förhållanden så orsakar den turbulenta vaken uppblandning av djupare vatten vid språngskiktet, vilket lokalt kan påverka ytvattnets närsaltstillförsel och primärproduktion. Utöver detta, så har fartyg observerats att frekvent inducera stora utsläpp av metan i en kustnära farled.

Resultaten presenterade i denna avhandling, belyser vikten av att inkludera fartygsinducerad turbulens i marin miljöförvaltning. Kustnära områden med intensiv fartygstrafik bör anses vara utsatta för mänsklig påverkan, och onaturliga med avseende på turbulens. Det interdisciplinära arbetssätt som används, är ett första steg mot en holistisk bedömning av miljöpåverkan från den turbulenta fartygsvaken.

Effects of ship induced vertical mixing in ship lanes

Chalmers, 2017-11-06 -- 2022-05-08.

Evaluation, control and Mitigation of the EnviRonmental impacts of shippinG Emissions (EMERGE)

European Commission (EC) (EC/H2020/874990), 2020-02-01 -- 2024-01-31.

Sustainable shipping

The Swedish Agency for Marine and Water Management, 2020-04-01 -- 2020-12-31.

Pre-study: Deep Learning for Deep Water

Chalmers, 2019-10-01 -- 2019-12-31.

Areas of Advance

Transport

Subject Categories

Other Earth and Related Environmental Sciences

Fluid Mechanics and Acoustics

Oceanography, Hydrology, Water Resources

Roots

Basic sciences

ISBN

978-91-7905-898-2

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5364

Publisher

Chalmers

Beta, Sagahuset, Hörselgången 4, Lindholmen, Göteborg

Online

Opponent: Professor Corinna Schrum, Helmholtz-Zentrum Hereon, Geesthacht, Germany

More information

Latest update

8/7/2023 8