Пограничный ток

Океаническое течение, динамика которого определяется наличием береговой линии

Основные океанические течения, связанные с северо-тихоокеанским круговоротом

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

Восточные пограничные течения

Восточные пограничные течения относительно неглубокие, широкие и медленно текущие. Они находятся на восточной стороне океанических бассейнов (прилегающих к западным побережьям континентов). Субтропические восточные пограничные течения текут к экватору, перенося холодную воду из более высоких широт в более низкие; примерами являются Бенгельское течение , Канарское течение , течение Гумбольдта (Перу) и Калифорнийское течение . Прибрежный апвеллинг часто приносит богатую питательными веществами воду в регионы восточных пограничных течений, делая их продуктивными областями океана.

Западные пограничные течения

Крупнейшие в мире океанические круговороты

Западные пограничные течения сами по себе могут быть разделены на субтропические или низкоширотные западные пограничные течения . Субтропические западные пограничные течения — это теплые, глубокие, узкие и быстрые течения, которые формируются на западной стороне океанических бассейнов из-за западной интенсификации . Они переносят теплую воду из тропиков к полюсу. Примерами являются Гольфстрим , течение Агульяс и течение Куросио . Низкоширотные западные пограничные течения похожи на субтропические западные пограничные течения, но переносят прохладную воду из субтропиков к экватору. Примерами являются течение Минданао и Северо-Бразильское течение .

Западная интенсификация

Западная интенсификация относится к западному рукаву океанического течения , особенно к большому круговороту в таком бассейне . Пассаты дуют на запад в тропиках. Западные ветры дуют на восток в средних широтах. Это создает напряжение на поверхности океана с завихрением в северном и южном полушариях, вызывая перенос Свердрупа к экватору (к тропикам). Из-за сохранения массы и потенциальной завихренности этот перенос уравновешивается узким, интенсивным течением к полюсу, которое течет вдоль западного побережья, позволяя завихренности, вносимой прибрежным трением, уравновешивать вихревой вклад ветра. Обратный эффект применим к полярным круговоротам — знак завихренности напряжения ветра и направление результирующих течений меняются на противоположные. Основные течения с западной стороны (такие как Гольфстрим в северной части Атлантического океана ) сильнее, чем противоположные (такие как Калифорнийское течение в северной части Тихого океана ). Механика была прояснена американским океанографом Генри Стоммелем .

В 1948 году Стоммел опубликовал свою ключевую работу в Transactions, American Geophysical Union : "The Westward Intensification of Wind-Driven Ocean Currents", ^[1] , в которой он использовал простую, однородную, прямоугольную модель океана для изучения линий тока и контуров высоты поверхности для океана в невращающейся системе отсчета, океана, характеризующегося постоянным параметром Кориолиса, и, наконец, реального океанического бассейна с изменяющимся по широте параметром Кориолиса. В этом простом моделировании основными факторами, которые учитывались для влияния на океаническую циркуляцию, были:

• поверхностное ветровое напряжение
• трение о дно
• переменная высота поверхности, приводящая к горизонтальным градиентам давления
• эффект Кориолиса .

В этом случае Стоммел предположил, что океан имеет постоянную плотность и глубину, рассматривая океанские течения; он также ввел линеаризованный, фрикционный член для учета диссипативных эффектов, которые не дают реальному океану ускоряться. Таким образом, он начинает с уравнений стационарного импульса и непрерывности: ${\displaystyle D+h}$

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

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

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

Здесь — сила Кориолиса, — коэффициент трения о дно, — сила тяжести, — сила ветра. Ветер дует на запад при и на восток при . ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle g\,\,}$ ${\displaystyle -F\cos \left({\frac {\pi y}{b}}\right)}$ ${\displaystyle y=0}$ ${\displaystyle y=b}$

Действуя на (1) с помощью и на (2) с помощью , вычитая, а затем используя (3), получаем ${\displaystyle {\frac {\partial }{\partial y}}}$ ${\displaystyle {\frac {\partial }{\partial x}}}$

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

Если ввести функцию потока и линеаризовать, предположив, что , уравнение (4) сводится 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 граничными условиями, которые постоянны на береговых линиях, и для различных значений , подчеркивают роль изменения параметра Кориолиса с широтой в инициировании усиления западных пограничных течений. Такие течения, как наблюдалось, намного быстрее, глубже, уже и теплее своих восточных аналогов. ${\displaystyle \psi }$ ${\displaystyle \alpha }$

Для невращающегося состояния (нулевой параметр Кориолиса) и там, где он является константой, циркуляция океана не имеет предпочтения к интенсификации/ускорению вблизи западной границы. Линии тока демонстрируют симметричное поведение во всех направлениях, при этом контуры высоты демонстрируют почти параллельное отношение к линиям тока в однородно вращающемся океане. Наконец, на вращающейся сфере — в случае, когда сила Кориолиса является широтно-вариантной, обнаруживается отчетливая тенденция к асимметричным линиям тока с интенсивной кластеризацией вдоль западных побережий. Математически элегантные фигуры в моделях распределения линий тока и контуров высоты в таком океане, если течения равномерно вращаются, можно найти в статье.

Баланс Свердрупа и физика западной интенсификации

Физику западной интенсификации можно понять через механизм, который помогает поддерживать баланс вихря вдоль океанического круговорота. Харальд Свердруп был первым, кто, предшественник Генри Штоммела, попытался объяснить баланс вихря в середине океана, рассмотрев связь между поверхностными ветровыми воздействиями и переносом масс 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 не позволило применить его теорию к западным пограничным течениям, поскольку позже будет показано, что некоторая форма диссипативного эффекта (нижний слой Экмана) необходима для прогнозирования замкнутой циркуляции для всего океанического бассейна и противодействия потоку, создаваемому ветром.

Свердруп ввел аргумент потенциальной вихреобразности, чтобы связать чистый внутренний поток океанов с поверхностным ветровым напряжением и вызванными возмущениями планетарной вихреобразности. Например, предполагалось, что конвергенция Экмана в субтропиках (связанная с существованием пассатов в тропиках и западных ветров в средних широтах) приводит к нисходящей вертикальной скорости и, следовательно, к сжатию водяных столбов, что впоследствии заставляет океанский круговорот вращаться медленнее (через сохранение углового момента). Это достигается посредством уменьшения планетарной вихреобразности (поскольку относительные изменения вихреобразности незначительны в крупных океанических циркуляциях), явление, достижимое посредством экваториально направленного внутреннего потока, который характеризует субтропический круговорот. ^[2] Обратное применимо, когда вызывается дивергенция Экмана, приводящая к поглощению Экмана (всасыванию) и последующему растяжению водяного столба и возвратному потоку к полюсу, что характерно для субполярных круговоротов.

Этот обратный поток, как показал Стоммель, ^[1] происходит в меридиональном течении, сконцентрированном вблизи западной границы океанического бассейна. Чтобы сбалансировать источник завихренности, вызванный воздействием ветрового напряжения, Стоммель ввел линейный фрикционный член в уравнение Свердрупа, функционирующий как сток завихренности. Это фрикционное сопротивление дна океана горизонтальному потоку позволило Стоммелю теоретически предсказать замкнутую циркуляцию по всему бассейну, одновременно продемонстрировав усиление ветровых круговоротов в западном направлении и его приписывание изменению Кориолиса с широтой (бета-эффект). Уолтер Манк (1950) далее реализовал теорию Стоммела о западной интенсификации, используя более реалистичный фрикционный член, подчеркивая при этом «боковое рассеивание вихревой энергии». ^[3] Таким образом, он не только воспроизвел результаты Стоммеля, воссоздав таким образом циркуляцию западного пограничного течения океанического круговорота, напоминающего Гольфстрим, но и показал, что субполярные круговороты должны развиваться севернее субтропических, вращаясь в противоположном направлении.

Изменение климата

Наблюдения показывают, что потепление океана над субтропическими западными пограничными течениями в два-три раза сильнее, чем глобальное среднее потепление поверхности океана. ^[4] Исследование ^[5] показывает, что усиленное потепление может быть связано с интенсификацией и смещением к полюсам западных пограничных течений как побочным эффектом расширяющейся циркуляции Хэдли при глобальном потеплении. ^{[6] [7] [8]} Эти горячие точки потепления вызывают серьезные экологические и экономические проблемы, такие как быстрый подъем уровня моря вдоль восточного побережья Соединенных Штатов, ^[9] крах рыболовства в заливе Мэн ^[10] и Уругвае. ^[11]

Смотрите также

• Портал Океанов

• Экмановский перенос  – чистый перенос поверхностных вод перпендикулярно направлению ветра.
• Океанический круговорот  – любая крупная система циркулирующих поверхностных течений океана.
• Баланс Свердрупа  – Теоретическая взаимосвязь в океанографии

Ссылки

• Глоссарий AMS ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
• Профессор Рафаэль Кудела, UCSC, читает лекции OCEA1, осень 2007 г.
• Мунк, У. Х., О ветровой циркуляции океана , J. ​​Meteorol., т. 7, 1950 г.
• Стюарт, Р. "11". Ветровая циркуляция океана. Архивировано из оригинала 21.11.2011 . Получено 08.12.2011 . {{cite book}}: |website=проигнорировано ( помощь )
• Стил, Джон Х. и др. (22 октября 2010 г.). Океанические течения: производная от Энциклопедии наук об океане. Academic Press. ISBN 9780080964867.
• Стоммел, Х., «Усиление ветровых океанических течений на западе», Труды Американского геофизического союза , т. 29, 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). Том 33. JSTOR  87657. PMC  1079064 .
• Турман, Гарольд В., Трухильо, Алан П., Введение в океанографию , десятое издание. ISBN 0-13-143888-3 

Сноски

1. Stommel, Henry (апрель 1948 г.). "The Westward Intensification of Wind-Driven Ocean Currents" (PDF) . Transactions, American Geophysical Union . 29 (2): 202–206. Bibcode :1948TrAGU..29..202S. doi :10.1029/tr029i002p00202 . Получено 27 августа 2012 г. .
2. Талли, Линн Д. и др. (11 апреля 2011 г.). Описательная физическая океанография. Academic Press. ISBN 9780080939117.
3. Бергер, Вольфганг Х.; Нобл Шор, Элизабет (6 мая 2009 г.). Океан: размышления о столетии исследований. Издательство Калифорнийского университета. ISBN 9780520942547.
4. Ву, Л. и др. (2012), «Усиление потепления над глобальными субтропическими западными пограничными течениями», Nature Climate Change , 2(3), 161–166.
5. Янг, Х., Ломанн, Г., Вэй, В., Дима, М., Ионита, М. и Лю, Дж. (2016), «Усиление и смещение к полюсу субтропических западных пограничных течений в условиях потепления климата», Журнал геофизических исследований: Океаны , 121, 4928–4945, doi:10.1002/2015JC011513.
6. Сигер, Р. и Симпсон, ИР (2016). «Западные пограничные течения и изменение климата», Журнал геофизических исследований: Океаны , 121, 7212–7214. https://doi.org/10.1002/2016JC012156
7. Зайдель, DJ, Фу, Q., Рэндел, WJ, и Райхлер, TJ (2008), «Расширение тропического пояса в условиях меняющегося климата», Nature Geoscience , 1(1), 21–24.
8. Yang, H., Lohmann, G., Lu, J., Gowan, EJ, Shi, X., Liu, J., Wang, Q. (2020), «Тропическое расширение, вызванное продвижением к полюсам меридиональных градиентов температуры в средних широтах», Журнал геофизических исследований: Атмосферы , 125, e2020JD033158.
9. Инь, Дж. и Годдард, П. Б. (2013). «Океанический контроль закономерностей повышения уровня моря вдоль восточного побережья Соединенных Штатов», Geophysical Research Letters , 40, 5514–5520.
10. Першинг, А. Дж. и др. (2015), «Медленная адаптация в условиях быстрого потепления приводит к краху промысла трески в заливе Мэн», Science , 350(6262), 809–812, doi:10.1126/science.aac9819.
11. "Опасные новые горячие зоны распространяются по всему миру - Washington Post". The Washington Post .

Внешние ссылки

• биофизика.sbg.ac.at (JPG)
• learner.org Архивировано 2011-09-04 в Wayback Machine
• aos.princeton.edu (PDF)