Транспорт Экмана является частью теории движения Экмана, впервые исследованной в 1902 году Вагном Вальфридом Экманом . Ветер является основным источником энергии для циркуляции океана, а компания Ekman Transport - это составляющая приводимого ветром океанского течения. [1] Экмановский перенос происходит, когда поверхностные воды океана подвержены влиянию силы трения, действующей на них через ветер. Когда дует ветер, он создает силу трения о поверхность океана, которая увлекает за собой верхние 10–100 м водной толщи. [2] Однако из-за влияния эффекта Кориолиса вода в океане движется под углом 90 ° к направлению приземного ветра. [2] Направление транспорта зависит от полушария: в северном полушарии, перенос происходит под углом 90 ° по часовой стрелке от направления ветра, а в южном полушарии - под углом 90 ° против часовой стрелки. [3] Это явление впервые заметил Фритьоф Нансен , который записал, что перенос льда, по-видимому, происходил под углом к направлению ветра во время его арктической экспедиции в 1890-х годах. [4] Транспорт Экмана оказывает значительное влияние на биогеохимические свойства Мирового океана. Это потому, что они приводят к апвеллингу (всасывание Экмана) и даунвеллингу (откачка Экмана), чтобы подчиняться законам сохранения массы. Сохранение массы, в отношении переноса Экмана, требует, чтобы любая вода, вытесненная в пределах области, должна быть восполнена. Это можно сделать с помощью всасывания Экмана или перекачки Экмана в зависимости от характера ветра. [1]
Теория
Теория Экмана объясняет теоретическое состояние циркуляции, если водные течения вызываются только передачей импульса от ветра. В физическом мире это трудно наблюдать из-за влияния множества одновременных движущих сил тока (например, градиентов давления и плотности ). Хотя следующая теория технически применима к идеализированной ситуации, включающей только силы ветра, движение Экмана описывает ветровую часть циркуляции, наблюдаемую в поверхностном слое. [5] [6]
Поверхностные течения текут под углом 45 ° к ветру из-за баланса между силой Кориолиса и сопротивлением, создаваемым ветром и водой. [7] Если океан разделен по вертикали на тонкие слои, величина скорости (скорость) уменьшается от максимума на поверхности до тех пор, пока она не рассеется. Направление также немного смещается через каждый последующий слой (вправо в северном полушарии и влево в южном полушарии). Это называется спиралью Экмана . [8] Слой воды от поверхности до точки рассеяния этой спирали известен как слой Экмана . Если весь поток через слой Экмана объединен, чистый перенос будет под углом 90 ° вправо (влево) от приземного ветра в северном (южном) полушарии. [3]
Механизмы
Есть три основных направления ветра, которые приводят к всасыванию или откачке по Экману. Первый - это ветры, параллельные береговой линии. [1] Из-за эффекта Кориолиса поверхностная вода движется под углом 90 ° к ветровому течению. Если ветер движется в направлении, заставляющем воду уноситься от берега, происходит всасывание Экмана. [1] С другой стороны, если ветер движется таким образом, что поверхностные воды движутся к береговой линии, то будет иметь место откачка Экмана. [1]
Второй механизм ветровых течений, приводящий к переносу Экмана, - это пассаты к северу и югу от экватора, притягивающие поверхностные воды к полюсам. [1] На экваторе наблюдается сильный апвеллинг по Экману, потому что вода тянется к северу к северу от экватора и к югу к югу от экватора. Это приводит к дивергенции воды, что приводит к всасыванию по Экману и, следовательно, к апвеллингу. [9]
Третья ветровая картина, влияющая на перенос по Экману, - это крупномасштабные ветры в открытом океане. [1] Циркуляция ветра в открытом океане может приводить к образованию вихревой структуры скоплений морской поверхностной воды, что приводит к горизонтальным градиентам высоты морской поверхности. [1] Это скопление воды заставляет воду иметь нисходящий поток и всасывание из-за силы тяжести и концепции баланса масс. Накачивание Экмана вниз в центральном океане является следствием этого схождения вод. [1]
Экман всасывания
Экман Всасывание - это компонент транспорта Экмана, который приводит к возникновению областей апвеллинга из-за дивергенции воды. [9] Возвращаясь к концепции сохранения массы, любая вода, вытесняемая транспортом Экмана, должна быть восполнена. По мере того, как вода расходится, она создает пространство и действует как всасывание, чтобы заполнить пространство, подтягивая или поднимая глубинную морскую воду в эвфотическую зону. [9]
Всасывание Экмана имеет серьезные последствия для биогеохимических процессов в этом районе, поскольку приводит к апвеллингу. Апвеллинг переносит богатые питательными веществами и холодные глубоководные воды в эвфотическую зону, способствуя цветению фитопланктона и создавая чрезвычайно высокопродуктивную среду. [10] Районы апвеллинга способствуют развитию рыболовства, фактически почти половина мирового улова рыбы приходится на районы апвеллинга. [11]
Всасывание Экмана происходит как вдоль береговых линий, так и в открытом океане, но также происходит и вдоль экватора. Вдоль тихоокеанского побережья Калифорнии, Центральной Америки и Перу, а также вдоль атлантического побережья Африки есть области апвеллинга из-за всасывания Экмана, поскольку течения движутся к экватору. [1] Из-за эффекта Кориолиса поверхностная вода перемещается на 90 ° влево (в Южном полушарии, когда она движется к экватору) ветрового течения, поэтому вода отклоняется от береговой границы, что приводит к всасыванию Экмана. . Кроме того, есть области апвеллинга в результате всасывания Экмана, где полярные ветры Истерли встречаются с Западными ветрами в приполярных регионах к северу от субтропиков, а также там, где северо-восточные пассаты встречаются с юго-восточными пассатами вдоль экватора. [1] Точно так же из-за эффекта Кориолиса поверхностная вода перемещается на 90 ° влево (в южном полушарии) ветровых течений, и поверхностная вода расходится вдоль этих границ, что приводит к апвеллингу для сохранения массы.
Экман накачивает
Ekman Pumping - это компонент транспорта Ekman, который приводит к опусканию вниз из-за схождения воды. [9] Как обсуждалось выше, концепция сохранения массы требует, чтобы скопление поверхностных вод было вытеснено вниз. Это скопление теплой поверхностной воды с низким содержанием питательных веществ перекачивается вертикально вниз по толщине воды, что приводит к опусканию вниз. [1]
Насос Экмана оказывает сильное воздействие на окружающую среду. Опускание из-за откачки Экмана приводит к бедности воды питательными веществами, что снижает биологическую продуктивность местности. [11] Кроме того, он переносит тепло и растворенный кислород вертикально вниз по толщине воды, когда теплая, богатая кислородом поверхностная вода перекачивается в глубоководные воды океана. [11]
Насос Экмана можно найти как на побережье, так и в открытом океане. Вдоль Тихоокеанского побережья в Южном полушарии северные ветры движутся параллельно береговой линии. [1] Из-за эффекта Кориолиса поверхностная вода притягивается на 90 ° вправо от ветрового течения, в результате чего вода сходится вдоль береговой границы, что приводит к откачке Экмана. В открытом океане откачка Экмана происходит круговоротами. [1] В частности, в субтропиках, между 20 ° и 50 ° северной широты, происходит перекачка воды по Экману, поскольку пассаты переходят в западные, вызывая скопление поверхностных вод. [1]
Математический вывод
Некоторые предположения о гидродинамике, участвующей в процессе, должны быть сделаны для того, чтобы упростить процесс до точки, в которой он станет разрешимым. Предположения, сделанные Экманом, были следующими: [12]
- не имеющий границ;
- бесконечно глубокая вода;
- вихревая вязкость ,, является постоянным (это верно только для ламинарного потока. В турбулентном пограничном слое атмосферы и океана это сильно зависит от глубины);
- форсирование ветра устойчивое и дует давно;
- баротропные условия без геострофического потока;
- параметр Кориолиса , остается постоянным.
Упрощенные уравнения для силы Кориолиса в направлениях x и y следуют из этих предположений:
- (1)
- (2)
где это напряжение ветра , это плотность, - скорость восток-запад, а - скорость с севера на юг.
Интегрируя каждое уравнение по всему слою Экмана:
где
Здесь а также представляют условия зонального и меридионального переноса массы с единицами массы в единицу времени на единицу длины. Вопреки распространенной логике, ветры север-юг вызывают массовый перенос в направлении восток-запад. [13]
Чтобы понять структуру вертикальной скорости водяного столба, уравнения 1 и 2 можно переписать в терминах вертикальной вихревой вязкости.
где - коэффициент вертикальной вихревой вязкости.
Это дает систему дифференциальных уравнений вида
Чтобы решить эту систему двух дифференциальных уравнений, можно применить два граничных условия:
- в виде
- трение равно напряжению ветра на свободной поверхности ().
Все можно упростить, если учесть, что ветер дует только в направлении оси y . Это означает, что результаты будут относиться к ветру с севера на юг (хотя эти решения могут быть получены относительно ветра в любом другом направлении): [14]
- (3)
где
- а также представляют транспорт Экмана в направлениях u и v ;
- в уравнении 3 знак «плюс» относится к северному полушарию, а знак «минус» - к южному полушарию;
- - ветровое напряжение на поверхности моря;
- - глубина Экмана (глубина слоя Экмана).
Решив эту задачу при z = 0, мы обнаружили, что поверхностный ток составляет (как и ожидалось) 45 градусов вправо (влево) от ветра в северном (южном) полушарии. Это также дает ожидаемую форму спирали Экмана как по величине, так и по направлению. [14] Интегрирование этих уравнений по слою Экмана показывает, что чистый член Экмана переноса составляет 90 градусов вправо (влево) от ветра в северном (южном) полушарии.
Приложения
- Транспорт Экмана приводит к прибрежному апвеллингу , который обеспечивает питательными веществами некоторые из крупнейших рыболовных рынков на планете [15] и может повлиять на стабильность Антарктического ледяного щита , перетягивая теплые глубинные воды на континентальный шельф. [16] [17] Ветер в этих режимах дует параллельно побережью (например, вдоль побережья Перу , где ветер дует с юго-востока, а также в Калифорнии , где дует с северо-запада). С точки зрения транспорта Экмана, поверхностные воды имеют чистое движение на 90 ° вправо от направления ветра в северном полушарии (слева в южном полушарии). Поскольку поверхностные воды стекают от берега, воду необходимо заменить водой снизу. [18] На мелководных прибрежных водах спираль Экмана обычно не полностью сформирована, и ветровые явления, вызывающие эпизоды апвеллинга, обычно довольно короткие. Это приводит ко многим вариациям степени апвеллинга, но эти идеи в целом применимы. [19]
- Экмановский транспорт аналогичным образом работает в экваториальном апвеллинге , где в обоих полушариях компонент пассата на западе вызывает чистый перенос воды к полюсу, а компонент пассата на восток вызывает чистый перенос воды от берега. столб. [15]
- В меньших масштабах циклонические ветры вызывают перенос Экмана, который вызывает чистую дивергенцию и апвеллинг, или всасывание Экмана [15], в то время как антициклонические ветры вызывают чистую конвергенцию и нисходящий поток, или откачку Экмана [20].
- Транспорт Экмана также является фактором циркуляции океанских круговоротов и мусорных пятен . Транспорт Экмана заставляет воду течь к центру круговорота во всех местах, создавая наклонную поверхность моря и инициируя геострофический поток (Коллинг, стр. 65). Харальд Свердруп применил перенос Экмана, включая силы градиента давления, чтобы разработать для этого теорию (см. Баланс Свердрупа ). [20]
Смотрите также
- Скорость Экмана - индуцированная ветром часть общей горизонтальной скорости в верхнем слое воды открытого океана, так что сила Кориолиса уравновешивается силой ветра.
Заметки
- ^ a b c d e f g h i j k l m n o Sarmiento, Jorge L .; Грубер, Николас (2006). Биогеохимическая динамика океана . Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0-691-01707-5.
- ^ а б Эмерсон, Стивен Р .; Хеджес, Джон И. (2017). Химическая океанография и морской углеродный цикл . Нью-Йорк, Соединенные Штаты Америки: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-83313-4.
- ^ а б Коллинг, стр 42-44
- ↑ Пруд и Пикард, стр.101.
- ^ Коллинг стр 44
- ^ Свердруп стр 228
- ↑ Mann & Lazier, стр.169.
- ^ Knauss р 124.
- ^ а б в г Эмерсон, Стивен Р .; Хеджес, Джон И. (2017). Химическая океанография и морской цикл углерода . Нью-Йорк, Соединенные Штаты Америки: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-83313-4.
- ^ Миллер, Чарльз Б .; Уилер, Патриция А. (21 мая 2012 г.). Биологическая океанография (второе изд.). Вили-Блэквелл. ISBN 978-1-4443-3302-2.
- ^ а б в Линдстром, Эрик Дж. «Движение океана: определение: приводимые ветром поверхностные течения - апвеллинг и нисходящий поток» . oceanmotion.org .
- ^ Пруд и Пикард стр. 106
- ^ Knauss р. 123
- ^ a b Pond & Pickard стр.108
- ^ а б в Кнаусс с.125
- ^ Андерсон, РФ; Али, С .; Брэдтмиллер, Л.И.; Нильсен, SHH; Fleisher, MQ; Андерсон, BE; Burckle, LH (13 марта 2009 г.). «Ветровой апвеллинг в Южном океане и дегляциальное повышение содержания CO2 в атмосфере». Наука . 323 (5920): 1443–1448. Bibcode : 2009Sci ... 323.1443A . DOI : 10.1126 / science.1167441 . ISSN 0036-8075 . PMID 19286547 .
- ^ Грин, Чад А .; Бланкеншип, Дональд Д.; Gwyther, Дэвид Э .; Сильвано, Алессандро; Вейк, Эсми ван (2017-11-01). «Ветер вызывает таяние и ускорение шельфового ледника Тоттен» . Наука продвигается . 3 (11): e1701681. Bibcode : 2017SciA .... 3E1681G . DOI : 10.1126 / sciadv.1701681 . ISSN 2375-2548 . PMC 5665591 . PMID 29109976 .
- ↑ Mann & Lazier, стр.172.
- ^ Коллинг стр 43
- ^ a b Pond & Pickard с. 295.
Рекомендации
- Коллинг, А., Циркуляция океана , группа курсов Открытого университета. Второе издание. 2001 г. ISBN 978-0-7506-5278-0
- Эмерсон, Стивен Р .; Хеджес, Джон И. (2017). Химическая океанография и морской углеродный цикл . Нью-Йорк, Соединенные Штаты Америки: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-83313-4 .
- Кнаусс, Дж. А., Введение в физическую океанографию , Waveland Press. Второе издание. 2005 г. ISBN 978-1-57766-429-1
- Линдстром, Эрик Дж. «Движение океана: определение: приводимые ветром поверхностные течения - апвеллинг и нисходящий поток». oceanmotion.org.
- Манн, К. Х., Лазье Дж. Р., Динамика морских экосистем , издательство Blackwell Publishing. Третье издание. 2006 г. ISBN 978-1-4051-1118-8
- Миллер, Чарльз Б .; Уилер, Патрисия А. Биологическая океанография (второе изд.). Вили-Блэквелл. ISBN 978-1-4443-3302-2 .
- Понд, С., Пикард, Г.Л., Введение в динамическую океанографию , Pergamon Press. Второе издание. 1983 г. ISBN 978-0-08-028728-7
- Сармьенто, Хорхе Л .; Грубер, Николас (2006). Биогеохимическая динамика океана . Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0-691-01707-5 .
- Свердруп, KA, Даксбери, AC, Даксбери, AB, Введение в Мировой океан , McGraw-Hill. Восьмое издание. 2005 г. ISBN 978-0-07-294555-3
Внешние ссылки
- Что такое Экман транспорт?