Граничный ток

Основные океанические течения, связанные с круговоротом северной части Тихого океана

Граничные течения - это океанические течения, динамика которых определяется наличием береговой линии , и делятся на две отдельные категории: западные пограничные течения и восточные пограничные течения .

Восточные пограничные течения [ править ]

Восточные пограничные течения относительно мелкие, широкие и медленные. Встречаются на восточной стороне океанических бассейнов (примыкают к западным берегам материков). Субтропические восточные пограничные течения текут к экватору, перенося холодную воду из более высоких широт в более низкие; Примеры включают Бенгельское течение , Канарское течение , Гумбольдтовское и Калифорнийское течение . Прибрежный апвеллинг часто приносит богатую питательными веществами воду в восточные пограничные районы течений, что делает их продуктивными районами океана.

Западные пограничные течения [ править ]

Самые большие океанские круговороты в мире

Западные пограничные течения - это теплые, глубокие, узкие и быстро текущие течения, которые образуются на западной стороне океанских бассейнов из-за западной интенсификации . Они несут теплую воду из тропиков к полюсу. Примеры включают Гольфстрим , течение Агульяс и Куросио .

Западная интенсификация [ править ]

Западная интенсификация относится к западному рукаву океанического течения , особенно к большому круговороту в таком бассейне . В тропиках дуют пассаты на запад. В средних широтах западные ветры дуют на восток. Это оказывает давление на поверхность океана с изгибом в северном и южном полушариях, вызывая перенос Свердрупа к экватору (в сторону тропиков). Из-за сохранения массы и сохранения потенциальной завихренности этот перенос уравновешивается узким интенсивным направленным к полюсу течением, которое течет вдоль западного побережья, обеспечивая завихренностьвводится трением о берег, чтобы уравновесить завихренность ветра. Обратный эффект применяется к полярным круговоротам - знак завихрения напряжения ветра и направление возникающих течений меняются местами. Основные западные течения (такие как Гольфстрим в северной части Атлантического океана ) сильнее, чем противоположные (такие как Калифорнийское течение в северной части Тихого океана ). Механизм был разъяснен американским океанографом Генри Стоммелом .

В 1948 году Стоммел опубликовал свою ключевую статью в « Транзакциях» Американского геофизического союза : «Усиление океанских течений на запад» ^[1], в которой он использовал простую, однородную прямоугольную модель океана для изучения линий тока и контуров высоты поверхности. для океана в невращающейся системе координат, океана, характеризуемого постоянным параметром Кориолиса, и, наконец, реального океанического бассейна с изменяющимся в широте параметром Кориолиса. В этом простом моделировании основными факторами, влияющими на океаническую циркуляцию, были:

• напряжение приземного ветра
• нижнее трение
• переменная высота поверхности, приводящая к горизонтальным градиентам давления
• эффект Кориолиса .

В этом ^[2] он предположил океан постоянной плотности и глубины, видя океанские течения; он также ввел линеаризованный термин, связанный с трением, для учета диссипативных эффектов, препятствующих ускорению реального океана. Таким образом, он исходит из стационарных уравнений количества движения и неразрывности:${\ displaystyle D + h}$

${\ displaystyle f (D + h) vF \ cos \ left ({\ frac {\ pi y} {b}} \ right) -Ru-g (D + h) {\ frac {\ partial h} {\ partial х}} = 0 \ qquad (1)}$

${\displaystyle \quad -f(D+h)u-Rv-g(D+h){\frac {\partial h}{\partial y}}=0\qquad \qquad (2)}$

${\displaystyle \qquad \qquad {\frac {\partial [(D+h)u]}{\partial x}}+{\frac {\partial [(D+h)v]}{\partial y}}=0\qquad \qquad \qquad (3)}$

Здесь сила Кориолиса, коэффициент придонного трения, сила тяжести и сила ветра. Ветер дует с запада и с востока .${\displaystyle f}$${\displaystyle R}$${\displaystyle g\,\,}$${\displaystyle -F\cos \left({\frac {\pi y}{b}}\right)}$${\displaystyle y=0}$${\displaystyle y=b}$

Воздействуя на (1) с помощью и на (2) с вычитанием, а затем с использованием (3), дает ${\displaystyle {\frac {\partial }{\partial y}}}$${\displaystyle {\frac {\partial }{\partial x}}}$

${\displaystyle v(D+h)\left({\frac {\partial f}{\partial y}}\right)+{\frac {\pi F}{b}}\sin \left({\frac {\pi y}{b}}\right)+R\left({\frac {\partial v}{\partial x}}-{\frac {\partial u}{\partial y}}\right)=0\quad (4)}$

Если мы введем функцию Stream и линеаризуем ее, предположив, что , уравнение (4) сведется к${\displaystyle \psi }$${\displaystyle D>>h}$

${\displaystyle \nabla ^{2}\psi +\alpha \left({\frac {\partial \psi }{\partial x}}\right)=\gamma \sin \left({\frac {\pi y}{b}}\right)\qquad (5)}$

Здесь

${\displaystyle \alpha =\left({\frac {D}{R}}\right)\left({\frac {\partial f}{\partial y}}\right)}$

и

${\displaystyle \gamma ={\frac {\pi F}{Rb}}}$

Решения (5) с граничным условием, постоянным на береговой линии и для различных значений , подчеркивают роль изменения параметра Кориолиса с широтой в стимулировании усиления западных пограничных течений. Наблюдается, что такие течения намного быстрее, глубже, уже и теплее, чем их восточные аналоги.${\displaystyle \psi }$${\displaystyle \alpha }$

Для невращающегося состояния (нулевой параметр Кориолиса) и где он является константой, циркуляция океана не имеет предпочтения по отношению к усилению / ускорению вблизи западной границы. Линии тока демонстрируют симметричное поведение во всех направлениях, при этом изолинии высот демонстрируют почти параллельную связь с линиями тока в однородно вращающемся океане. Наконец, на вращающейся сфере - в случае, когда сила Кориолиса изменяется по широте, обнаруживается отчетливая тенденция к асимметричным линиям тока с интенсивным скоплением вдоль западных берегов. В статье можно найти математически изящные фигуры в моделях распределения линий тока и высот в таком океане при равномерном вращении течений.

Баланс Свердрупа и физика западной интенсификации [ править ]

Физику западной интенсификации можно понять через механизм, который помогает поддерживать баланс вихрей в круговороте океана. Харальд Свердруп был первым, опередив Генри Стоммела., чтобы попытаться объяснить баланс завихренности в средней части океана, рассматривая взаимосвязь между силами приземного ветра и переносом массы в верхнем слое океана. Он предположил геострофический внутренний поток, пренебрегая любыми эффектами трения или вязкости и предполагая, что циркуляция исчезает на некоторой глубине в океане. Это запретило применение его теории к западным пограничным течениям, поскольку позже будет показано, что некоторая форма диссипативного эффекта (нижний слой Экмана) необходима для предсказания замкнутой циркуляции для всего океанского бассейна и противодействия ветровому потоку.

Свердруп ввел аргумент о потенциальной завихренности, чтобы связать чистый внутренний поток океанов с напряжением приземного ветра и вызванными возмущениями планетарной завихренности. Например, конвергенция Экмана в субтропиках (связанная с существованием пассатов в тропиках и западных ветров в средних широтах), как предполагалось, приводит к нисходящей вертикальной скорости и, следовательно, к раздавливанию водяных столбов, что впоследствии заставляет круговорот океана вращаться медленнее (за счет сохранения углового момента). Это достигается за счет уменьшения планетарной завихренности (поскольку вариации относительной завихренности не значительны при больших циркуляциях океана), явления, достижимого посредством экваториально направленного внутреннего потока, который характеризует субтропический круговорот. ^[3] Обратное применимо, когда возникает расхождение Экмана, приводящее к поглощению Экмана (всасыванию) и последующему растяжению водяного столба и обратному потоку к полюсу, что характерно для субполярных круговоротов.

Этот возвратный поток, как показано Стоммелем ^[1], происходит в меридиональном потоке, сконцентрированном около западной границы океанического бассейна. Чтобы уравновесить источник завихренности, вызванный воздействием напряжения ветра, Стоммел ввел линейный член трения в уравнение Свердрупа, функционирующий как сток завихренности. Это дно океана, трение горизонтального потока позволило Стоммелу теоретически предсказать замкнутую циркуляцию по всему бассейну, продемонстрировав при этом усиление ветряных круговоротов в западном направлении и его связь с вариацией Кориолиса с широтой (бета-эффект). Уолтер Манк (1950) далее реализовал теорию западной интенсификации Стоммеля, используя более реалистичный термин трения, подчеркивая при этом «латеральное рассеяние энергии вихря».^[4] Таким образом, он не только воспроизвел результаты Стоммеля, воссоздав таким образом циркуляцию западного пограничного течения океанического круговорота, напоминающего поток в заливе, но он также показал, что субполярные круговороты должны развиваться к северу от субтропических, вращение в обратном направлении.

Изменение климата [ править ]

Наблюдения показывают, что потепление океана над субтропическими западными пограничными течениями в 2-3 раза сильнее, чем глобальное среднее потепление поверхности океана. ^[5] Исследование ^[6] обнаружило, что усиленное потепление может быть связано с усилением и сдвигом к полюсу западных пограничных течений как побочным эффектом расширения циркуляции Хэдли в условиях глобального потепления. ^{[7] [8] [9]} Эти горячие точки вызывают серьезные экологические и экономические проблемы, такие как быстрое повышение уровня моря вдоль восточного побережья США, ^[10] крах рыболовства в заливе Мэн ^[11] и Уругвай. ^[12]

См. Также [ править ]

• Транспорт Экмана  - Чистый перенос поверхностных вод перпендикулярно направлению ветра
• Океанский круговорот  - любая крупная система циркулирующих океанских течений.
• Баланс Свердрупа  - теоретическая взаимосвязь между ветровым напряжением, оказываемым на поверхность открытого океана, и вертикально интегрированным меридиональным (север-юг) переносом океанской воды.

Ссылки [ править ]

• Турман, Гарольд В., Трухильо, Алан П. Вводная океанография, десятое издание. ISBN  0-13-143888-3
• Глоссарий AMS ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
• Профессор Рафаэль Кудела, UCSC, читает лекции OCEA1, осень 2007 г.
• Х. Стоммел, Интенсификация океанских течений , приводимых в движение ветром , Труды Американского геофизического союза: Vol. 29 августа 1948 г.
• Мунк, WH, О ветровой циркуляции океана , J. Meteorol., Vol. 7,1950
• Стюарт, Р. «11». Циркуляция океана, управляемая ветром . ocianworld.tamu.edu . Архивировано из оригинала на 2011-11-21 . Проверено 8 декабря 2011 .
• Джон Х. Стил; и другие. (22 октября 2010 г.). Океанские течения: производная энциклопедии наук об океане . ISBN 9780080964867.
• Свердруп, Харальд (1947). Ветровые течения в бароклинном океане; с приложением к экваториальным течениям восточной части Тихого океана. Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки (Отчет). 33 . JSTOR  87657 . PMC  1079064 .

Сноски [ править ]

Эта статья включает в себя список общих ссылок , но он остается в значительной степени непроверенным, поскольку в нем отсутствует достаточное количество соответствующих встроенных ссылок . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, добавив более точные цитаты. ( Апрель 2009 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Внешние ссылки [ править ]

• biophysics.sbg.ac.at (JPG)
• Learner.org
• aos.princeton.edu (PDF)