Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Волна Кельвина является волной в океане или атмосфере , что остатки Земля сила Кориолиса против топографической границы таких как береговая линия или волновод , такого как экватор. Особенностью волны Кельвина является то , что она недисперсионная , т.е. фазовая скорость волновых гребней равна групповой скорости от энергии волн на всех частотах. Это означает, что он сохраняет свою форму при движении в прибрежном направлении с течением времени.

Волна Кельвина ( гидродинамика ) также является крупномасштабной модой возмущения вихря в сверхтекучей динамике; с точки зрения метеорологического или океанографического вывода, можно предположить, что меридиональная составляющая скорости исчезает (т. е. нет потока в направлении север-юг, что значительно упрощает уравнения количества движения и неразрывности ). Эта волна названа в честь первооткрывателя лорда Кельвина (1879 г.). [1] [2]

Прибрежная волна Кельвина [ править ]

В стратифицированном океане средней глубины H свободные волны распространяются вдоль береговых границ (и, следовательно, становятся захваченными вблизи самого берега) в виде внутренних волн Кельвина в масштабе около 30 км. Эти волны называются прибрежными волнами Кельвина, и их скорость распространения в океане составляет примерно 2 м / с. Используя предположение, что поперечная скорость v равна нулю на берегу, v  = 0, можно решить частотное соотношение для фазовой скорости прибрежных волн Кельвина, которые относятся к классу волн, называемых граничными волнами, краевыми волнами , захваченными волны, или поверхностные волны (аналогично волнам Лэмба ). [3] ( линеаризованный )тогда примитивные уравнения становятся следующими:

  • U - импульс уравнение (зональный ветер компонент):
  • v уравнение - импульса (меридиональной составляющей ветра):

Если предположить, что коэффициент Кориолиса f постоянен вдоль правых граничных условий, а зональная скорость ветра установлена ​​равной нулю, то примитивные уравнения станут следующими:

  • уравнение неразрывности:
  • уравнение u- момента :
  • v уравнение - импульса:
.

Решение этих уравнений дает следующую фазовую скорость: c 2  =  gH , которая является той же скоростью, что и для гравитационных волн на мелководье, без влияния вращения Земли. [4] Важно отметить, что для наблюдателя, путешествующего с волной, береговая граница (максимальная амплитуда) всегда находится справа в северном полушарии и слева в южном полушарии (т.е. эти волны движутся к экватору - отрицательная фаза). скорость - на западной границе и к полюсу - положительная фазовая скорость - на восточной границе; волны движутся циклонически вокруг океанского бассейна). [3]

Экваториальная волна Кельвина [ править ]

Экваториальная волна Кельвина, захваченная через аномалии высоты морской поверхности

Экваториальная зона, по сути, действует как волновод, заставляя возмущения улавливаться вблизи экватора, и экваториальная волна Кельвина иллюстрирует этот факт, потому что экватор действует аналогично топографической границе как для Северного, так и для Южного полушарий, что делает эту волну очень похоже на волну Кельвина, захваченную прибрежной ловушкой. [3] Примитивные уравнения идентичны уравнениям, используемым для разработки решения для определения фазовой скорости прибрежной волны Кельвина (уравнения U-импульса, V-импульса и неразрывности), а движение является однонаправленным и параллельным экватору. [3] Поскольку эти волны экваториальные, параметр Кориолиса обращается в ноль при 0 градусах; поэтому необходимо использовать экваториальную бета-плоскость приближение, которое гласит:

где β - изменение параметра Кориолиса с широтой. Это предположение экваториальной бета-плоскости требует геострофического баланса между скоростью на восток и градиентом давления с севера на юг. Фазовая скорость идентична скорости прибрежных волн Кельвина, что указывает на то, что экваториальные волны Кельвина распространяются на восток без дисперсии (как если бы Земля была невращающейся планетой). [3] Для первой бароклинной моды в океане типичная фазовая скорость будет около 2,8 м / с, в результате чего экваториальной волне Кельвина потребуется 2 месяца, чтобы пересечь Тихий океан между Новой Гвинеей и Южной Америкой; для более высоких режимов океана и атмосферы фазовые скорости сравнимы со скоростями потока жидкости. [3]

Когда движение на экваторе направлено на восток, любое отклонение к северу возвращается к экватору, поскольку сила Кориолиса действует вправо от направления движения в северном полушарии, и любое отклонение на юг возвращается в сторону экватора, потому что сила Кориолиса действует слева от направления движения в Южном полушарии. Обратите внимание, что при движении на запад сила Кориолиса не восстанавливает отклонение на север или юг обратно к экватору; таким образом, экваториальные волны Кельвина возможны только при движении на восток (как отмечалось выше). Как атмосферные, так и океанические экваториальные волны Кельвина играют важную роль в динамике Эль-Ниньо-Южного колебания., передавая изменения условий в западной части Тихого океана на восточную часть Тихого океана.

Были исследования, которые связывают экваториальные волны Кельвина с прибрежными волнами Кельвина. Мур (1968) обнаружил, что когда экваториальная волна Кельвина ударяется о «восточную границу», часть энергии отражается в форме планетарных и гравитационных волн; а остальная часть энергии переносится к полюсу вдоль восточной границы в виде прибрежных волн Кельвина. Этот процесс указывает на то, что некоторая энергия может быть потеряна из экваториальной области и перенесена в полярную область. [3]

Экваториальные волны Кельвина часто связаны с аномалиями в напряжении приземного ветра. Например, положительные (на восток) аномалии напряжения ветра в центральной части Тихого океана вызывают положительные аномалии на глубине изотермы 20 ° C, которые распространяются на восток в виде экваториальных волн Кельвина.

См. Также [ править ]

  • Волна Россби
  • Россби-гравитационные волны
  • Экваториальная волна Россби
  • Неустойчивость Кельвина-Гельмгольца
  • Краевая волна

Ссылки [ править ]

  1. ^ Томсон, У. ( лорд Кельвин ) (1879), "О гравитационных колебаниях вращающейся воды" , Proc. Рой. Soc. Эдинбург , 10 : 92-100, DOI : 10,1017 / S0370164600043467
  2. ↑ Гилл, Адриан Э. (1982), Динамика атмосферы и океана , International Geophysics Series, 30 , Academic Press, стр.  378–380 , ISBN 978-0-12-283522-3
  3. ^ a b c d e f g Гилл, Адриан Э., 1982: Динамика атмосферы и океана, Международная серия по геофизике, том 30, Academic Press, 662 стр.
  4. ^ Холтон, Джеймс Р., 2004: Введение в динамическую метеорологию . Elsevier Academic Press, Берлингтон, Массачусетс, стр. 394–400.

Внешние ссылки [ править ]

  • Обзор волн Кельвина от Американского метеорологического общества.
  • Страница ВМС США о волнах Кельвина.
  • Слайд-шоу о волнах Кельвина на сайте utexus.edu.
  • Волна Кельвина возобновляет Эль-Ниньо - НАСА, Обсерватория Земли, изображение дня, 21 марта 2010 г.