Экман транспорт

Чистый перенос поверхностных вод перпендикулярно направлению ветра

Экмановский транспорт — это чистое движение жидкости в результате баланса между силами Кориолиса и турбулентными силами сопротивления. На рисунке выше ветер, дующий на север в северном полушарии, создает поверхностное напряжение, а под ним в водной толще находится результирующая спираль Экмана .

Перенос Экмана является частью теории движения Экмана, впервые исследованной в 1902 году Вагн Вальфрид Экман . Ветры являются основным источником энергии для циркуляции океана, а перенос Экмана является компонентом ветрового течения океана. ^[1] Перенос Экмана происходит, когда поверхностные воды океана подвергаются влиянию силы трения, действующей на них через ветер. Когда дует ветер, он создает силу трения на поверхности океана, которая увлекает за собой верхние 10-100 м водной толщи. ^[2] Однако из-за влияния эффекта Кориолиса вода океана движется под углом 90° к направлению поверхностного ветра. ^[2] Направление переноса зависит от полушария: в северном полушарии перенос происходит под углом 90° по часовой стрелке от направления ветра, тогда как в южном полушарии он происходит под углом 90° против часовой стрелки. ^[3] Это явление впервые заметил Фритьоф Нансен , который зафиксировал, что перемещение льда, по-видимому, происходит под углом к ​​направлению ветра во время его арктической экспедиции 1890-х годов. ^[4] Экмановский перенос оказывает значительное влияние на биогеохимические свойства мировых океанов. Это происходит потому, что он приводит к подъему глубинных вод (всасыванию Экмана) и опусканию глубинных вод (перекачке Экмана) для соблюдения законов сохранения массы. Сохранение массы, в отношении переноса Экмана, требует, чтобы любая вода, перемещенная в пределах области, была восполнена. Это может быть сделано либо путем всасывания Экмана, либо путем перекачивания Экмана в зависимости от характера ветра. ^[1]

Теория

Теория Экмана объясняет теоретическое состояние циркуляции, если водные течения приводятся в движение только передачей импульса от ветра. В физическом мире это трудно наблюдать из-за влияния многих одновременных движущих сил течения (например, градиентов давления и плотности ). Хотя следующая теория технически применима к идеализированной ситуации, включающей только силы ветра, движение Экмана описывает приводимую в движение ветром часть циркуляции, наблюдаемую в поверхностном слое. ^{[5] [6]}

Поверхностные течения текут под углом 45° к ветру из-за баланса между силой Кориолиса и сопротивлениями , создаваемыми ветром и водой. ^[7] Если океан разделить вертикально на тонкие слои, величина скорости уменьшается от максимума на поверхности до тех пор, пока она не рассеивается. 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 рассеивания этой спирали известен как слой Экмана . Если весь поток через слой Экмана интегрировать, чистый перенос будет под углом 90° вправо (влево) от поверхностного ветра в северном (южном) полушарии. ^[3]

Механизмы

Существует три основных ветровых режима, которые приводят к всасыванию или перекачке Экмана. Первый — это ветровые режимы, которые параллельны береговой линии. ^[1] Из-за эффекта Кориолиса поверхностные воды движутся под углом 90° к ветровому потоку. Если ветер движется в направлении, заставляющем воду оттягиваться от берега, то произойдет всасывание Экмана. ^[1] С другой стороны, если ветер движется таким образом, что поверхностные воды движутся к береговой линии, то произойдет перекачивание Экмана. ^[1]

Вторым механизмом ветровых течений, приводящих к переносу Экмана, являются пассаты как к северу, так и к югу от экватора, которые тянут поверхностные воды к полюсам. ^[1] На экваторе наблюдается сильное апвеллинговое всасывание Экмана, поскольку вода тянется на север к северу от экватора и на юг к югу от экватора. Это приводит к расхождению в воде, что приводит к всасыванию Экмана и, следовательно, к апвеллингу. ^[9]

Третий тип ветра, влияющий на перенос Экмана, — это крупномасштабные ветровые режимы в открытом океане. ^[1] Циркуляция ветра в открытом океане может привести к образованию вихреобразных структур нагроможденной морской поверхностной воды, что приводит к горизонтальным градиентам высоты морской поверхности. ^[1] Это нагромождение воды приводит к нисходящему потоку и всасыванию воды из-за гравитации и баланса масс. Экмановское нагнетание вниз в центральном океане является следствием этой конвергенции воды. ^[1]

отсасывание Экмана

Всасывание Экмана является компонентом переноса Экмана, который приводит к областям апвеллинга из-за расхождения воды. ^[9] Возвращаясь к концепции сохранения массы, любая вода, вытесненная переносом Экмана, должна быть восполнена. По мере того, как вода расходится, она создает пространство и действует как всасывание, чтобы заполнить пространство, подтягивая или поднимая глубоководную морскую воду в эвфотическую зону. ^[9]

Всасывание Экмана имеет серьезные последствия для биогеохимических процессов в этом районе, поскольку оно приводит к подъему глубинных вод. Подъем глубинных вод переносит богатую питательными веществами и холодную глубоководную воду в эвфотическую зону, способствуя цветению фитопланктона и запуская чрезвычайно высокопродуктивную среду. ^[10] Зоны подъема глубинных вод приводят к развитию рыболовства, фактически, почти половина мирового улова рыбы приходится на зоны подъема глубинных вод. ^[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 существуют области апвеллинга из-за всасывания Экмана, поскольку течения движутся к экватору. ^[1] Из-за эффекта Кориолиса поверхностные воды перемещаются на 90° влево (в Южном полушарии, поскольку они движутся к экватору) от ветрового течения, тем самым заставляя воду отклоняться от береговой границы, что приводит к всасыванию Экмана. Кроме того, существуют области апвеллинга в результате всасывания Экмана, где полярные восточные ветры встречаются с западными ветрами в субполярных регионах к северу от субтропиков, а также где северо-восточные пассаты встречаются с юго-восточными пассатами вдоль экватора. ^[1] Аналогично, из-за эффекта Кориолиса поверхностные воды перемещаются на 90° влево (в Южном полушарии) от ветровых течений, и поверхностные воды расходятся вдоль этих границ, что приводит к подъему глубинных вод с целью сохранения массы.

Экмановский насос

Экмановское нагнетание является компонентом экмановского переноса, который приводит к областям опускания из-за конвергенции воды. ^[9] Как обсуждалось выше, концепция сохранения массы требует, чтобы скопление поверхностной воды было вытолкнуто вниз. Это скопление теплой, бедной питательными веществами поверхностной воды закачивается вертикально вниз по водной толще, что приводит к областям опускания. ^[1]

Откачка Экмана оказывает драматическое воздействие на окружающую среду. Опускание глубинных вод из-за откачки Экмана приводит к бедным питательными веществами водам, тем самым снижая биологическую продуктивность района. ^[11] Кроме того, она переносит тепло и растворенный кислород вертикально вниз по водной толще, поскольку теплая, богатая кислородом поверхностная вода перекачивается в глубинные воды океана. ^[11]

Нагнетание Экмана можно обнаружить вдоль побережий, а также в открытом океане. Вдоль побережья Тихого океана в Южном полушарии северные ветры движутся параллельно береговой линии. ^[1] Из-за эффекта Кориолиса поверхностные воды оттягиваются на 90° влево от ветрового течения, что приводит к схождению воды вдоль границы побережья, что приводит к нагнетанию Экмана. В открытом океане нагнетание Экмана происходит с круговоротами. ^[1] В частности, в субтропиках, между 20° и 50° с. ш., наблюдается нагнетание Экмана, поскольку пассаты смещаются на западные, вызывая накопление поверхностных вод. ^[1]

Математическое выведение

Некоторые предположения о динамике жидкости, вовлеченной в процесс, должны быть сделаны для того, чтобы упростить процесс до точки, где он будет разрешим. Предположения, сделанные Экманом, были: ^[12]

• нет границ;
• бесконечно глубокая вода;
• вихревая вязкость , , является постоянной (это справедливо только для ламинарного течения. В турбулентном атмосферном и океаническом пограничном слое она сильно зависит от глубины); ${\displaystyle A_{z}\,\!}$
• сила ветра стабильна и дует в течение длительного времени;
• баротропные условия без геострофического течения;
• Параметр Кориолиса сохраняется постоянным . ${\displaystyle f\,\!}$

Упрощенные уравнения для силы Кориолиса в направлениях x и y следуют из этих предположений:

(1)  ${\displaystyle {\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial \tau _{x}}{\partial z}}=-fv,\,}$

(2)  ${\displaystyle {\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial \tau _{y}}{\partial z}}=fu,\,}$

где - напряжение ветра , - плотность, - скорость восток-запад, - скорость север-юг. ${\displaystyle \tau \,\!}$ ${\displaystyle \rho \,\!}$ ${\displaystyle u\,\!}$ ${\displaystyle v\,\!}$

Интегрируем каждое уравнение по всему слою Экмана:

${\displaystyle \tau _{x}=-M_{y}f,\,}$

${\displaystyle \tau _{y}=M_{x}f,\,}$

где

${\displaystyle M_{x}=\int _{0}^{z}\rho udz,\,}$

${\displaystyle M_{y}=\int _{0}^{z}\rho vdz.\,}$

Здесь и представляют собой зональные и меридиональные термины переноса массы с единицами массы в единицу времени на единицу длины. Вопреки общепринятой логике, ветры с севера на юг вызывают перенос массы в направлении восток-запад. ^[13] ${\displaystyle M_{x}\,\!}$ ${\displaystyle M_{y}\,\!}$

Чтобы понять вертикальную структуру скорости водного столба, уравнения 1 и 2 можно переписать с учетом вертикальной турбулентной вязкости.

${\displaystyle {\frac {\partial \tau _{x}}{\partial z}}=\rho A_{z}{\frac {\partial ^{2}u}{\partial z^{2}}},\,\!}$

${\displaystyle {\frac {\partial \tau _{y}}{\partial z}}=\rho A_{z}{\frac {\partial ^{2}v}{\partial z^{2}}},\,\!}$

где - коэффициент вертикальной турбулентной вязкости. ${\displaystyle A_{z}\,\!}$

Это дает набор дифференциальных уравнений вида

${\displaystyle A_{z}{\frac {\partial ^{2}u}{\partial z^{2}}}=-fv,\,\!}$

${\displaystyle A_{z}{\frac {\partial ^{2}v}{\partial z^{2}}}=fu.\,\!}$

Для решения этой системы двух дифференциальных уравнений можно применить два граничных условия:

• ${\displaystyle {(u,v)\to 0}}$как ${\displaystyle {z\to -\infty },}$
• трение равно напряжению ветра на свободной поверхности ( ). ${\displaystyle z=0\,\!}$

Все можно еще больше упростить, рассматривая ветер, дующий только в направлении y . Это означает, что результаты будут относительно ветра с севера на юг (хотя эти решения могут быть получены относительно ветра в любом другом направлении): ^[14]

(3)  ${\displaystyle {\begin{aligned}u_{E}&=\pm V_{0}\cos \left({\frac {\pi }{4}}+{\frac {\pi }{D_{E}}}z\right)\exp \left({\frac {\pi }{D_{E}}}z\right),\\v_{E}&=V_{0}\sin \left({\frac {\pi }{4}}+{\frac {\pi }{D_{E}}}z\right)\exp \left({\frac {\pi }{D_{E}}}z\right),\end{aligned}}}$

где

• ${\displaystyle u_{E}\,\!}$и представляют собой перенос Экмана в направлениях u и v ; ${\displaystyle v_{E}\,\!}$
• в уравнении 3 знак плюс относится к северному полушарию, а знак минус — к южному полушарию;
• ${\displaystyle V_{0}={\frac {{\sqrt {2}}\pi \tau _{y\eta }}{D_{E}\rho |f|}};\,\!}$
• ${\displaystyle \tau _{y\eta }\,\!}$- ветровая нагрузка на поверхность моря;
• ${\displaystyle D_{E}=\pi \left({\frac {2A_{z}}{|f|}}\right)^{1/2}\,\!}$— глубина Экмана (глубина слоя Экмана).

Решая это при z = 0, поверхностный ток оказывается (как и ожидалось) на 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 переноса Экмана составляет 90 градусов вправо (влево) от ветра в Северном (Южном) полушарии.

Приложения

• Транспорт Экмана приводит к прибрежному апвеллингу , который обеспечивает поставку питательных веществ для некоторых из крупнейших рыболовных рынков на планете ^[15] и может повлиять на стабильность Антарктического ледяного щита , вытягивая теплую глубинную воду 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 он дует с северо-запада). Из-за транспорта Экмана поверхностная вода имеет чистое движение на 90° вправо от направления ветра в северном полушарии (влево в южном полушарии). Поскольку поверхностная вода течет от побережья, вода должна быть заменена водой снизу. ^[18] В мелких прибрежных водах спираль Экмана обычно не полностью сформирована, и ветровые явления, которые вызывают эпизоды апвеллинга, обычно довольно короткие. Это приводит к многочисленным изменениям в степени апвеллинга, но идеи все еще в целом применимы. ^[19]
• Экмановский перенос аналогичным образом работает в экваториальном апвеллинге , где в обоих полушариях компонент пассата , направленный на запад, вызывает чистый перенос воды к полюсу, а компонент пассата, направленный на восток, вызывает чистый перенос воды от полюса. ^[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 нагнетание Экмана ^[20].
• Экмановский транспорт также является фактором циркуляции океанических круговоротов и мусорных пятен . Экмановский транспорт заставляет воду течь к центру круговорота во всех местах, создавая наклонную морскую поверхность и инициируя геострофический поток (Colling, стр. 65). Харальд Свердруп применил экмановский транспорт, включив силы градиента давления, чтобы разработать теорию для этого (см. баланс Свердрупа ). ^[20]

Смотрите также

• Портал Океанов

• Слой Экмана  – слой равновесия сил в жидкости
• Число Экмана  – безразмерное отношение сил вязкости к силам Кориолиса
• Скорость Экмана  – Формула для скорости течения воды, вызванного ветром
• Спираль Экмана  – Профиль скорости ветрового течения в зависимости от глубины
• Апвеллинг  – океанографическое явление ветрового движения океанской воды.
• Вагн Вальфрид Экман  – шведский океанограф (1874–1954).

Примечания

1. Сармьенто, Хорхе Л.; Грубер, Николас (2006). Биогеохимическая динамика океана . Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0-691-01707-5.
2. Эмерсон, Стивен Р.; Хеджес, Джон И. (2017). Химическая океанография и морской углеродный цикл . Нью-Йорк, Соединенные Штаты Америки: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-83313-4.
3. Colling, стр. 42-44
4. Понд и Пикард, стр. 101
5. Коллинг, стр. 44
6. Свердруп, стр. 228
7. Манн и Лазье, стр. 169
8. Кнаусс, стр. 124.
9. Эмерсон, Стивен Р.; Хеджес, Джон И. (2017). Химическая океанография и морской углеродный цикл . Нью-Йорк, Соединенные Штаты Америки: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-83313-4.
10. Миллер, Чарльз Б.; Уилер, Патрисия А. (2012-05-21). Биологическая океанография (Второе издание). Wiley-Blackwell. ISBN 978-1-4443-3302-2.
11. Линдстром, Эрик Дж. «Движение океана: Определение: Поверхностные течения, вызываемые ветром — подъем и опускание глубинных вод». oceanmotion.org .
12. Понд и Пикард стр. 106
13. Кнаусс стр. 123
14. Pond & Pickard стр.108
15. Кнаусс стр. 125
16. Андерсон, RF; Али, S.; Брэдтмиллер, LI; Нильсен, SHH; Флейшер, MQ; Андерсон, BE; Беркл, LH (2009-03-13). «Ветровой апвеллинг в Южном океане и дегляциальный подъем атмосферного CO2». Science . 323 (5920): 1443–1448. Bibcode :2009Sci...323.1443A. doi :10.1126/science.1167441. ISSN  0036-8075. PMID  19286547. S2CID  206517043.
17. Грин, Чад А.; Бланкеншип, Дональд Д.; Гвайтер, Дэвид Э.; Сильвано, Алессандро; Вийк, Эсми ван (01.11.2017). «Ветер вызывает таяние и ускорение шельфового ледника Тоттена». Science Advances . 3 (11): e1701681. Bibcode :2017SciA....3E1681G. doi :10.1126/sciadv.1701681. ISSN  2375-2548. PMC 5665591 . PMID  29109976. 
18. Манн и Лазье, стр. 172
19. Коллинг, стр. 43
20. Pond & Pickard стр. 295

Ссылки

• Коллинг, А., Ocean Circulation , Open University Course Team. Второе издание. 2001. ISBN 978-0-7506-5278-0 
• Эмерсон, Стивен Р.; Хеджес, Джон И. (2017). Химическая океанография и морской углеродный цикл . Нью-Йорк, Соединенные Штаты Америки: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-83313-4 . 
• Кнаусс, Дж. А., Введение в физическую океанографию , Waveland Press. Второе издание. 2005. ISBN 978-1-57766-429-1 
• Линдстром, Эрик Дж. «Движение океана: Определение: Поверхностные течения, вызываемые ветром — восходящие и нисходящие течения». oceanmotion.org.
• Манн, К. Х. и Лазье Дж. Р., Динамика морских экосистем , Blackwell Publishing. Третье издание. 2006. ISBN 978-1-4051-1118-8 
• Миллер, Чарльз Б.; Уиллер, Патрисия А. Биологическая океанография (второе издание). Wiley-Blackwell. ISBN 978-1-4443-3302-2 . 
• Понд, С. и Пикард, Г.Л., Введение в динамическую океанографию , Pergamon Press. Второе издание. 1983. ISBN 978-0-08-028728-7 
• Сармьенто, Хорхе Л.; Грубер, Николас (2006). Биогеохимическая динамика океана . Princeton University Press. ISBN 978-0-691-01707-5 . 
• Свердруп, KA, Даксбери, AC, Даксбери, AB, Введение в Мировой океан , McGraw-Hill. Восьмое издание. 2005. ISBN 978-0-07-294555-3 

Внешние ссылки

• Что такое транспорт Экмана?