Спираль Экмана - Ekman spiral

Эффект спирали Экмана.
1. Ветер
2. сила сверху
3. Эффективное направление тока
4. Эффект Кориолиса.

В Спираль Экмана представляет собой структуру течений или ветров около горизонтальной границы, в которой направление потока меняется при удалении от границы. Он получил свое название от Шведский океанограф Вагн Вальфрид Экман. Отклонение поверхностных течений впервые заметил норвежский океанограф. Фритьоф Нансен в течение Фрам экспедиция (1893–1896), и этот эффект был впервые физически объяснен Вагн Вальфрид Экман.[1]

Теория

Эффект является следствием Эффект Кориолиса который подвергает движущиеся объекты кажущейся силе справа от направления их движения в северном полушарии (и слева в южном полушарии). Таким образом, когда постоянный ветер дует над обширной областью поверхности океана в северном полушарии, он вызывает поверхностное течение, которое ускоряется в этом направлении, которое затем испытывает силу Кориолиса и ускорение вправо от ветра: течение повернет постепенно вправо по мере увеличения скорости. Поскольку поток теперь немного правее ветра, сила Кориолиса, перпендикулярная движению потока, теперь частично направлена против ветер. В конце концов, течение достигнет максимальной скорости при наличии силы ветра, эффекта Кориолиса и сопротивления подземного водного баланса, и течение будет течь с постоянной скоростью и направлением, пока сохраняется ветер. Этот поверхностный поток тянется к слою воды под ним, прилагая силу в своем собственном направлении движения к этому слою, повторяя процесс, в результате чего этот слой в конечном итоге становится устойчивым течением даже дальше вправо от ветра, и так далее для более глубоких слоев. воды, что приводит к непрерывному вращению (или спирали) направления течения с изменяющейся глубиной. По мере увеличения глубины сила, передаваемая движущимся ветром, уменьшается, и, таким образом, скорость результирующего установившегося тока уменьшается, отсюда и изображение конической спирали на прилагаемой диаграмме. Глубина, на которую проникает спираль Экмана, определяется тем, насколько далеко турбулентное перемешивание может проникнуть в течение маятник.[2]

На приведенной выше диаграмме делается попытка показать силы, связанные со спиралью Экмана, применительно к Северному полушарию. Сила сверху отображается красным цветом (начиная с ветра, дующего над поверхностью воды), сила Кориолиса (которая показана под прямым углом к ​​силе сверху, хотя на самом деле она должна быть под прямым углом к ​​фактическому потоку воды) равна темно-желтым, а результирующее движение воды - розовым, которое затем становится силой сверху для слоя под ним, с учетом постепенного спирального движения по часовой стрелке при движении вниз.

Наблюдение

Первые задокументированные наблюдения океанической спирали Экмана были сделаны в Северном Ледовитом океане по дрейфующему потоку льда в 1958 году.[3] Более свежие наблюдения включают:

  • Наблюдения за подводным плаванием с аквалангом во время исследования восходящего переноса воды через лес водорослей на западном побережье Южной Африки в 1978 году. [4]
  • Смешанный эксперимент 1980 года[5]
  • В пределах Саргассова моря во время долгосрочного исследования верхних слоев океана 1982 г. [6]
  • В пределах Калифорнийского течения во время эксперимента по Восточно-пограничному течению 1993 г. [7]
  • В районе пролива Дрейка в Южном океане [8][9]
  • К северу от плато Кергелан во время эксперимента SOFINE 2008 г. [10]

Было обнаружено, что общие для некоторых из этих наблюдений спирали были «сжатыми», отображая более высокие оценки вихревой вязкости при рассмотрении скорости вращения с глубиной, чем вихревая вязкость, полученная из рассмотрения скорости уменьшения скорости.[6][7][8] Хотя в Южном океане эффект «сжатия» или спиралевидного сплющивания исчез, когда новые данные позволили более тщательно рассмотреть влияние геострофического сдвига.[9][10]

Классическая спираль Экмана наблюдалась под морским льдом.[3] но наблюдения остаются редкими в условиях открытого океана. Это связано как с тем, что турбулентное перемешивание в поверхностный слой океана имеет сильный суточный цикл и к тому, что поверхностные волны могут дестабилизировать спираль Экмана. Спирали Экмана также встречаются в атмосфере. Поверхностные ветры в Северном полушарии имеют тенденцию дуть левее ветров вверх.

Смотрите также

Заметки

  1. ^ Экман В. В. 1905. О влиянии вращения Земли на океанские течения. Arch. Математика. Astron. Phys., 2, 1-52. [1]
  2. ^ «Глоссарий AMS». Архивировано из оригинал на 2007-08-17. Получено 2007-06-28.
  3. ^ а б Хункинс, К. (1966). «Дрейфовые течения Экмана в Северном Ледовитом океане». Глубоководные исследования. 13 (4): 607–620. Bibcode:1966DSROA..13..607H. Дои:10.1016/0011-7471(66)90592-4.
  4. ^ Филд, Дж. Г., К. Л. Гриффитс, Э. А. С. Линли, П. Зутендик и Р. Картер (1981). Вызванные ветром движения воды в ложе бенгельских водорослей. Прибрежный апвеллинг. Ф. А. Ричардс (ред.), Вашингтон, округ Колумбия, Американский геофизический союз: 507-513. ISBN  0-87590-250-2
  5. ^ Davis, R.E .; de Szoeke, R .; Ниллер., П. (1981). «Часть II: Моделирование реакции смешанного уровня». Глубоководные исследования. 28 (12): 1453–1475. Bibcode:1981DSRI ... 28.1453D. Дои:10.1016/0198-0149(81)90092-3.
  6. ^ а б Price, J.F .; Weller, R.A .; Шудлих, Р.Р. (1987). "Океанские течения, вызываемые ветром, и перенос Экмана". Наука. 238 (4833): 1534–1538. Bibcode:1987Научный ... 238.1534П. Дои:10.1126 / science.238.4833.1534. PMID  17784291. S2CID  45511024.
  7. ^ а б Черескин, Т. (1995). «Прямое свидетельство баланса Экмана в Калифорнийском течении». Журнал геофизических исследований. 100 (C9): 18261–18269. Bibcode:1995JGR ... 10018261C. Дои:10.1029 / 95JC02182.
  8. ^ а б Ленн, Й.-Д .; Черескин, Т. (2009). «Наблюдение за течениями Экмана в Южном океане». Журнал физической океанографии. 39 (3): 768–779. Bibcode:2009JPO .... 39..768L. Дои:10.1175 / 2008jpo3943.1.
  9. ^ а б Polton, J.A .; Ленн, Й.-Д .; Элипот, С .; Черескин, Т.К .; Спринтолл, Дж. (2013). "Могут ли наблюдения пролива Дрейка соответствовать классической теории Экмана?" (PDF). Журнал физической океанографии. 43 (8): 1733–1740. Bibcode:2013JPO .... 43.1733P. Дои:10.1175 / JPO-D-13-034.1.
  10. ^ а б Roach, C.J .; Phillips, H.E .; Bindoff, N.L .; Ринтул, С. (2015). «Обнаружение и характеристика течений Экмана в Южном океане». Журнал физической океанографии. 45 (5): 1205–1223. Bibcode:2015JPO .... 45.1205R. Дои:10.1175 / JPO-D-14-0115.1.

использованная литература

  • Глоссарий AMS, математическое описание
  • А. Гнанадезикан, Р.А. Веллер, 1995 · «Структура и неустойчивость спирали Экмана при наличии поверхностных гравитационных волн» · Журнал физической океанографии 25 (12), стр. 3148–3171.
  • Дж. Ф. Прайс, Р. А. Веллер и Р. Пинкель, 1986 · «Суточный цикл: наблюдения и модели реакции верхнего слоя океана на суточное нагревание, охлаждение и ветровое перемешивание» · Журнал геофизических исследований 91. С. 8411–8427.
  • J.G. Richman, R. deSzoeke и R.E. Дэвис, 1987 · «Измерения приповерхностного сдвига в океане» · Журнал геофизических исследований 92. С. 2851–2858.
  • Филд, Дж. Г., К. Л. Гриффитс, Э. А. С. Линли, П. Зутендик и Р. Картер, 1981 Движение воды, вызванное ветром в ложе бенгельских водорослей. Прибрежный апвеллинг. Ф. А. Ричардс (ред.), Вашингтон, округ Колумбия, Американский геофизический союз: 507–513. ISBN  0-87590-250-2