Геострофическое течение

Океаническое течение, в котором сила градиента давления уравновешивается эффектом Кориолиса

Пример геострофического течения в Северном полушарии.

Круговорот северного полушария в геострофическом равновесии . Более светлая вода менее плотная , чем темная вода, но более плотная, чем воздух; направленный наружу градиент давления уравновешивается силой Кориолиса, направленной под углом 90 градусов вправо от потока . Структура в конечном итоге рассеется из-за трения и смешивания свойств воды.

Геострофическое течение — это океаническое течение , в котором сила градиента давления уравновешивается эффектом Кориолиса . Направление геострофического течения параллельно изобарам , при этом высокое давление находится справа от течения в Северном полушарии , а высокое давление — слева в Южном полушарии . Эта концепция знакома по погодным картам , изобары которых показывают направление геострофических ветров . Геострофическое течение может быть либо баротропным , либо бароклинным . Геострофическое течение также можно рассматривать как вращающуюся мелководную волну с частотой, равной нулю.

Принцип геострофии или геострофического баланса полезен для океанографов, поскольку он позволяет им делать выводы об океанских течениях из измерений высоты морской поверхности (путем комбинированной спутниковой альтиметрии и гравиметрии ) или из вертикальных профилей плотности морской воды, полученных с помощью кораблей или автономных буев. Основные течения мирового океана , такие как Гольфстрим , течение Куросио , течение Агульяс и Антарктическое циркумполярное течение , все находятся приблизительно в геострофическом равновесии и являются примерами геострофических течений.

Простое объяснение

Морская вода естественным образом стремится двигаться из области высокого давления (или высокого уровня моря) в область низкого давления (или низкого уровня моря). Сила, толкающая воду в область низкого давления, называется силой градиента давления. В геострофическом потоке вместо того, чтобы вода двигалась из области высокого давления (или высокого уровня моря) в область низкого давления (или низкого уровня моря), она движется вдоль линий равного давления ( изобар ). Это происходит из-за вращения Земли . Вращение Земли приводит к тому, что вода, движущаяся из высокой точки в низкую, ощущает «силу», известную как сила Кориолиса . Сила Кориолиса действует под прямым углом к ​​потоку, и когда она уравновешивает силу градиента давления, результирующий поток называется геострофическим.

Как указано выше, направление потока - высокое давление справа от потока в Северном полушарии , и высокое давление слева в Южном полушарии . Направление потока зависит от полушария, поскольку направление силы Кориолиса противоположно в разных полушариях.

Формулировка

Геострофические уравнения являются упрощенной формой уравнений Навье–Стокса во вращающейся системе отсчета. В частности, предполагается, что ускорение отсутствует (стационарное состояние), вязкость отсутствует, а давление является гидростатическим . Результирующий баланс имеет вид (Gill, 1982):

${\displaystyle fv={\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial p}{\partial x}}}$

${\displaystyle fu=-{\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial p}{\partial y}}}$

где — параметр Кориолиса , — плотность, — давление и — скорости в -направлениях соответственно. ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle u,v}$ ${\displaystyle x,y}$

Одним из особых свойств геострофических уравнений является то, что они удовлетворяют стационарной версии уравнения неразрывности. То есть:

${\displaystyle {\frac {\partial u}{\partial x}}+{\frac {\partial v}{\partial y}}=0}$

Вращающиеся волны нулевой частоты

Уравнения, описывающие линейную вращающуюся волну на мелководье, следующие:

${\displaystyle {\frac {\partial u}{\partial t}}-fv=-{\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial p}{\partial x}}}$

${\displaystyle {\frac {\partial v}{\partial t}}+fu=-{\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial p}{\partial y}}}$

Сделанное выше предположение об устойчивом состоянии (без ускорения) имеет вид:

${\displaystyle {\frac {\partial u}{\partial t}}={\frac {\partial v}{\partial t}}=0}$

В качестве альтернативы можно предположить волнообразную, периодическую зависимость во времени:

${\displaystyle u\propto v\propto e^{i\omega t}}$

В этом случае, если мы установим , мы вернемся к геострофическим уравнениям выше. Таким образом, геострофическое течение можно рассматривать как вращающуюся мелководную волну с частотой, равной нулю. ${\displaystyle \omega =0}$

Смотрите также

• Портал Океанов

• Геострофический ветер

Ссылки

• Гилл, Адриан Э. (1982), Динамика атмосферы и океана , Международная геофизическая серия, т. 30, Оксфорд: Academic Press, ISBN 0-12-283522-0