Граничный ток

Океанское течение, динамика которого определяется наличием береговой линии.

Основные океанские течения, связанные с Северо-Тихоокеанским круговоротом.

Пограничные течения — это океанские 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 медленнотекущие. Встречаются на восточной стороне океанических котловин (примыкающих к западным побережьям континентов). 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 (Перу) и Калифорнийское течение . Прибрежный апвеллинг часто приносит богатую питательными веществами воду в регионы восточной границы течения, делая их продуктивными районами океана.

Западные пограничные течения

Крупнейшие в мире океанские круговороты

Западные пограничные течения сами по себе можно разделить на субтропические или низкоширотные западные пограничные течения . Субтропические западные пограничные течения — теплые, глубокие, узкие и быстрые течения, образующиеся на западной стороне океанических котловин в результате западной интенсификации . Они несут теплую воду из тропиков к полюсу. Примеры включают Гольфстрим , течение Агульяс и течение Куросио . Низкоширотные западные пограничные течения похожи на субтропические западные пограничные течения, но несут холодную воду из субтропиков к экватору. Примеры включают течение Минданао и Северо-Бразильское течение .

Западная интенсификация

Западная интенсификация относится к западному рукаву океанического течения , особенно к большому круговороту в таком бассейне . В тропиках пассаты дуют на запад . Западные ветры дуют на восток в средних широтах. Это создает напряжение на поверхности океана с искривлением в северном и южном полушариях, вызывая перенос Свердрупа к экватору (к тропикам). Из-за сохранения массы и потенциальной завихренности этот перенос уравновешивается узким и интенсивным потоком, направленным к полюсу, который течет вдоль западного побережья, позволяя завихренности, вызванной трением о берег, уравновешивать завихренность ветра. К полярным круговоротам применяется обратный эффект – знак завитка напряжения ветра и направление результирующих течений меняются местами. Основные западные течения (например, Гольфстрим в северной части Атлантического океана ) сильнее, чем противоположные (например, Калифорнийское течение в северной части Тихого океана ). Механику разъяснил американский океанограф Генри Стоммел .

В 1948 году Стоммел опубликовал свою ключевую статью в журнале Transactions Американского геофизического союза : «Интенсификация ветровых океанских течений в западном направлении» ^[1] , в которой он использовал простую однородную прямоугольную модель океана для изучения линий тока и контуров высоты поверхности. для океана в невращающейся системе отсчета — океан, характеризующийся постоянным параметром Кориолиса, и, наконец, реальный океанский бассейн с изменяющимся по широте параметром Кориолиса. В этом простом моделировании основными факторами, влияющими на циркуляцию океана, были учтены:

• напряжение приземного ветра
• донное трение
• переменная высота поверхности, приводящая к горизонтальным градиентам давления
• эффект Кориолиса .

При этом Стоммел предположил, что океан имеет постоянную плотность и глубину, наблюдая за океанскими течениями; он также ввел линеаризованный термин трения для объяснения диссипативных эффектов, которые не позволяют реальному океану ускоряться. Таким образом, он исходит из уравнений установившегося импульса и неразрывности: ${\displaystyle D+h}$

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

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

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

Здесь – сила силы Кориолиса, – коэффициент придонного трения, – гравитация, – сила ветра. Ветер дует на запад в и на восток в . ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle g\,\,}$ ${\displaystyle -F\cos \left({\frac {\pi y}{b}}\right)}$ ${\displaystyle y=0}$ ${\displaystyle y=b}$

Действуя на (1) с и на (2) с , вычитая и 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 мы введем функцию Потока и линеаризуем ее, полагая , 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

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

и

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

Решения (5) с постоянными на берегах граничными условиями и для разных значений подчеркивают роль изменения параметра Кориолиса с широтой в усилении западных пограничных течений. Наблюдается, что такие течения намного быстрее, глубже, уже и теплее, чем их восточные аналоги. ${\displaystyle \psi }$ ${\displaystyle \alpha }$

В невращающемся состоянии (нулевой параметр Кориолиса) и там, где он является постоянным, циркуляция океана не имеет предпочтения в сторону интенсификации/ускорения вблизи западной границы. Линии тока демонстрируют симметричное поведение во всех направлениях, при этом контуры высот демонстрируют почти параллельное отношение к линиям тока в однородно вращающемся океане. Наконец, на вращающейся сфере - в случае, когда сила Кориолиса варьируется по широте - обнаруживается отчетливая тенденция к асимметричным линиям тока с интенсивным скоплением вдоль западных берегов. В статье можно найти математически изящные фигуры в рамках моделей распределения линий тока и изолиний 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 вдоль океанского круговорота. Харальд Свердруп был первым, предшествовавшим Генри Стоммелу, кто попытался объяснить баланс завихренности в середине океана, рассматривая взаимосвязь между силами поверхностного ветра и переносом массы в верхнем слое океана. Он предположил геострофическое внутреннее течение, пренебрегая при этом эффектами трения или вязкости и предполагая, что циркуляция исчезает на некоторой глубине океана. Это запретило применение его теории к западным пограничным течениям, поскольку позже было показано, что некоторая форма диссипативного эффекта (нижний слой Экмана) необходима для предсказания замкнутой циркуляции для всего океанского бассейна и противодействия ветровому потоку.

Свердруп представил аргумент о потенциальной завихренности, чтобы связать общий внутренний поток океанов с напряжением приземного ветра и вызванными планетарными возмущениями завихренности. Например, предполагалось, что конвергенция Экмана в субтропиках (связанная с существованием пассатов в тропиках и западных ветров в средних широтах) приводит к снижению вертикальной скорости и, следовательно, к сдавливанию водяных столбов. что впоследствии заставляет океанский круговорот вращаться медленнее (за счет сохранения углового момента). Это достигается за счет уменьшения планетарной завихренности (поскольку относительные изменения завихренности не являются значительными в крупных океанских циркуляциях), явления, достижимого за счет экваториально направленного внутреннего потока, который характеризует субтропический круговорот. ^[2] Обратное применимо, когда индуцируется экмановская дивергенция, приводящая к экмановскому поглощению (всасыванию) и последующему растяжению водной толщи и обратному потоку в сторону полюса, что характерно для субполярных круговоротов.

Этот возвратный поток, как показал Стоммел ^[1] , возникает в меридиональном течении, сосредоточенном вблизи западной границы океанского бассейна. Чтобы сбалансировать источник завихренности, вызванный воздействием ветрового напряжения, Стоммел ввел в уравнение Свердрупа член линейного трения, действующий как сток завихренности. Это сопротивление трения горизонтального потока у дна океана позволило Стоммелу теоретически предсказать замкнутую циркуляцию по всему бассейну, одновременно продемонстрировав усиление ветровых круговоротов в западном направлении и его связь с изменением Кориолиса в зависимости от широты (бета-эффект). Уолтер Мунк (1950) далее реализовал теорию западной интенсификации Стоммела, используя более реалистичный термин трения, подчеркивая при этом «латеральную диссипацию вихревой энергии». ^[3] Таким образом, он не только воспроизвел результаты Стоммеля, воссоздав таким образом циркуляцию западного пограничного течения океанского круговорота, напоминающего Гольфстрим, но и показал, что субполярные круговороты должны развиваться к северу от субтропических, крутится в обратную сторону.

Изменение климата

Наблюдения показывают, что потепление океана над субтропическими западными пограничными течениями в два-три раза сильнее, чем среднее глобальное потепление поверхности океана. ^[4] Исследование ^[5] показывает, что усиленное потепление может быть объяснено усилением и смещением к полюсам западных пограничных течений как побочного эффекта расширения циркуляции Хэдли в условиях глобального потепления. ^{[6] [7] [8]} Эти горячие точки потепления вызывают серьезные экологические и экономические проблемы, такие как быстрое повышение уровня моря вдоль восточного побережья Соединенных Штатов, ^[9] коллапс рыболовства в заливе Мэн ^[10] и Уругвай. ^[11]

Смотрите также

• Портал океанов

• Транспорт Экмана  - чистый перенос поверхностных вод перпендикулярно направлению ветра.
• Океанский круговорот  - любая крупная система циркулирующих поверхностных течений океана.
• Баланс Свердрупа  - Теоретические взаимосвязи в океанографии

Рекомендации

• Глоссарий AMS ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
• Профессор Рафаэль Кудела, UCSC, читает лекции OCEA1, осень 2007 г.
• Мунк, В.Х. О ветровой циркуляции океана , J. ​​Meteorol., Vol. 7, 1950 г.
• Стюарт, Р. «11». Циркуляция океана, вызванная ветром. Архивировано из оригинала 21 ноября 2011 г. Проверено 8 декабря 2011 г. {{cite book}}: |website=игнорируется ( помощь )
• Стил, Джон Х.; и другие. (22 октября 2010 г.). Океанские течения: производная от Энциклопедии наук об океане. Академическая пресса. ISBN 9780080964867.
• Стоммел, Х., «Усиление ветровых океанских течений на запад», Труды Американского геофизического союза , том. 29, 1948 г.
• Свердруп, Харальд (1947). Ветровые течения в бароклинном океане; с применением 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., Вводная океанография , десятое издание. ISBN 0-13-143888-3 

Сноски

1. Стоммел, Генри (апрель 1948 г.). «Усиление ветровых океанских течений на запад» (PDF) . Сделки, Американский геофизический союз . 29 (2): 202–206. Бибкод :1948ТрАГУ..29..202С. дои : 10.1029/tr029i002p00202 . Проверено 27 августа 2012 г.
2. Тэлли, Линн Д.; и другие. (11 апреля 2011 г.). Описательная физическая океанография. Академическая пресса. ISBN 9780080939117.
3. Бергер, Вольфганг Х.; Благородный 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. Ян Х., Ломанн Г., Вэй В., Дима М., Ионита М. и Лю Дж. (2016), «Интенсификация и смещение к полюсам субтропических западных пограничных течений в потеплении климата» , Журнал геофизических исследований: Океаны , 121, 4928–4945, doi:10.1002/2015JC011513.
6. Сигер, Р., и Симпсон, ИК (2016). «Западные пограничные течения и изменение климата», Журнал геофизических исследований: Океаны , 121, 7212–7214. https://doi.org/10.1002/2016JC012156
7. Зайдель, DJ, Фу, К., Рэндел, В.Дж., и Райхлер, Т.Дж. (2008), «Расширение тропического пояса в условиях меняющегося климата», Nature Geoscience , 1 (1), 21–24.
8. Ян, Х., Ломанн, Г., Лу, Дж., Гован, Э.Дж., Ши, X., Лю, Дж., Ван, К. (2020), «Тропическое расширение, вызванное продвижением к полюсу меридиональной температуры в средних широтах». градиенты», Журнал геофизических исследований: Атмосфера , 125, e2020JD033158.
9. Инь, Дж., и Годдард, П.Б. (2013). «Океанический контроль над характером повышения уровня моря вдоль восточного побережья Соединенных Штатов», Geophysical Research Letters , 40, 5514–5520.
10. Першинг, AJ и др. (2015), «Медленная адаптация перед лицом быстрого потепления приводит к коллапсу промысла трески в заливе Мэн», Science , 350(6262), 809–812, doi:10.1126/science.aac9819.
11. "Новые опасные горячие зоны распространяются по всему миру - Washington Post" . Вашингтон Пост .

Внешние ссылки

• биофизика.sbg.ac.at (JPG)
• Learner.org. Архивировано 4 сентября 2011 г. в Wayback Machine.
• aos.princeton.edu (PDF)