Граничный ток - Boundary current

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

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 , Течение Гумбольдта 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

Самые большие океанские круговороты в мире

Западные пограничные течения могут быть разделены на субтропические или низкоширотные западные пограничные течения . Субтропические 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 течение Куросио . Западные пограничные течения в низких широтах похожи на субтропические западные пограничные течения, но несут прохладную воду из субтропиков к экватору. Примеры включают течение Минданао и течение Северной Бразилии .

Западная интенсификация

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 потенциальной завихренности этот перенос уравновешивается узким интенсивным направленным к полюсу течением, которое течет вдоль западного побережья, позволяя завихренности, создаваемой трением о берег, уравновесить завихренность, вводимую ветром. 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 : «Интенсификация океанских течений в западном направлении», в которой он использовал простую, однородную прямоугольную модель океана для изучения линий тока и контуров высоты поверхности океана. в невращающейся системе координат - океан, характеризуемый постоянным параметром Кориолиса, и, наконец, реальный океанский бассейн 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 Стоммел предположил, что океан имеет постоянную плотность и глубину, 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 г \, \,}$${\ displaystyle -F \ cos \ left ({\ frac {\ pi y} {b}} \ right)}$${\ 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

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

а также

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

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

Физику западной интенсификации можно понять через механизм, который помогает поддерживать баланс вихрей в круговороте океана. Харальд Свердруп был первым, предшествовавшим Генри Стоммелу, который попытался объяснить баланс завихренности в средней части океана, изучив 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. Обратное применимо, когда возникает расхождение Экмана, приводящее к поглощению (всасыванию) Экмана и последующему растяжению водяного столба и обратному потоку к полюсу, что характерно для субполярных круговоротов.

Этот возвратный поток, как показано Стоммелем, возникает в меридиональном течении, сосредоточенном 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). Вальтер Манк (1950) далее реализовал теорию западной интенсификации Стоммеля, используя более реалистичный термин трения, подчеркивая при этом «латеральное рассеяние энергии вихря». 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 круговоротов, вращаясь в противоположное направление.

Изменение климата

Наблюдения показывают, что потепление океана над субтропическими западными пограничными течениями в два-три раза сильнее, чем глобальное среднее потепление поверхности океана. Исследование показало, 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. Эти горячие точки вызывают серьезные экологические и экономические проблемы, такие как быстрое повышение уровня моря вдоль восточного побережья США, крах рыболовства в заливе Мэн и Уругвае.

Смотрите также

• 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.

Рекомендации

• Глоссарий AMS
• Профессор Рафаэль Кудела, UCSC, читает лекции OCEA1, осень 2007 г.
• Мунк, WH, О ветровой циркуляции океана , J. Meteorol., Vol. 7 января 1950 г.
• Стюарт, Р. «11». Циркуляция океана, управляемая ветром . ocianworld.tamu.edu . Архивировано из оригинала на 2011-11-21 . Проверено 8 декабря 2011 .
• Стил, Джон Х .; и другие. (22 октября 2010 г.). Океанские течения: производная энциклопедии наук об океане . ISBN 9780080964867.
• Стоммел, Х., "Интенсификация океанских течений, приводимых в движение ветром", Сделки Американского геофизического союза , вып. 29 августа 1948 г.
• 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 .
• Турман, Гарольд В., Трухильо, Алан П., Вводная океанография , десятое издание. ISBN  0-13-143888-3

Сноски

Внешние ссылки

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