Экман транспорт - Ekman transport

Транспорт Экмана - это чистое движение жидкости в результате баланса между Кориолис и турбулентные силы сопротивления. На картинке выше ветер, дующий на север в северном полушарии, создает поверхностное напряжение и в результате Спираль Экмана находится под ним в столб воды.

Экман транспорт является частью теории движения Экмана, впервые исследованной в 1902 г. Вагн Вальфрид Экман. Ветры являются основным источником энергии для циркуляции океана, а компания Ekman Transport - это компонент океанического течения, вызываемого розовым цветом.^[1] Экмановский перенос происходит, когда на поверхностные воды океана воздействует сила трения, действующая на них через ветер. Когда дует ветер, он создает силу трения о поверхность океана, которая увлекает за собой верхние 10-100 м водной толщи.^[2] Однако из-за влияния Эффект Кориолиса, вода океана движется под углом 90 ° к направлению ветра у поверхности.^[2] Направление транспорта зависит от полушария: в Северное полушарие, перенос происходит под углом 90 ° по часовой стрелке от направления ветра, а в Южное полушарие это происходит под углом 90 ° против часовой стрелки.^[3] Это явление впервые было отмечено Фритьоф Нансен, который зафиксировал, что перенос льда, по-видимому, происходил под углом к ​​направлению ветра во время его Арктическая экспедиция в течение 1890-х гг.^[4] Транспорт Экмана оказывает значительное влияние на биогеохимические свойства Мирового океана. Это потому, что они приводят к апвеллинг (Всасывание Экмана) и нисходящий (Накачка Экмана), чтобы подчиняться законам сохранения массы. Сохранение массы, в отношении переноса Экмана, требует, чтобы любая вода, вытесненная в пределах области, была восполнена. Это можно сделать с помощью всасывания Экмана или перекачки Экмана в зависимости от характера ветра.^[1]

Теория

Теория Экмана объясняет теоретическое состояние циркуляции, если водные течения вызываются только передачей импульса от ветра. В физическом мире это трудно наблюдать из-за влияния множества одновременных Текущий движущие силы (например, давление и градиенты плотности ). Хотя следующая теория технически применима к идеализированной ситуации, включающей только силы ветра, движение Экмана описывает ветровую часть циркуляции, наблюдаемую в поверхностном слое.^[5][6]

Поверхностные течения текут под углом 45 ° к ветру из-за баланса между силой Кориолиса и тащит создается ветром и водой.^[7] Если океан разделен по вертикали на тонкие слои, величина скорости (скорость) уменьшается от максимума на поверхности до тех пор, пока не исчезнет. Направление также немного смещается через каждый последующий слой (вправо в северном полушарии и влево в южном полушарии). Это называется Спираль Экмана.^[8] Слой воды от поверхности до точки рассеяния этой спирали известен как Слой Экмана. Если весь поток через слой Экмана объединен, чистый перенос будет под углом 90 ° вправо (влево) от приземного ветра в северном (южном) полушарии.^[3]

Механизмы

Есть три основных типа ветра, которые приводят к всасыванию или откачке по Экману. Первый - это ветры, параллельные береговой линии.^[1] Из-за Эффект Кориолиса, поверхностная вода движется под углом 90 ° к ветровому течению. Если ветер движется в направлении, заставляющем воду уноситься от берега, происходит всасывание Экмана.^[1] С другой стороны, если ветер движется таким образом, что поверхностные воды движутся к береговой линии, то будет иметь место откачка Экмана.^[1]

Второй механизм ветровых течений, приводящий к переносу Экмана, - это Пассаты как к северу, так и к югу от экватора, притягивая поверхностные воды к полюсам.^[1] На экваторе наблюдается сильный апвеллинг по Экману, потому что вода тянется к северу, к северу от экватора и к югу, к югу от экватора. Это приводит к дивергенции воды, что приводит к всасыванию по Экману и, следовательно, к апвеллингу.^[9]

Третья ветровая картина, влияющая на перенос по Экману, - это крупномасштабные ветры в открытом океане.^[1] Циркуляция ветра в открытом океане может приводить к образованию вихревой структуры скоплений морской поверхностной воды, что приводит к горизонтальным градиентам высоты морской поверхности.^[1] Это скопление воды заставляет воду иметь нисходящий поток и всасывание из-за силы тяжести и концепции баланса масс. Накачивание Экмана вниз в центральном океане является следствием этого схождения вод.^[1]

Экман всасывания

Экман Всасывание - это компонент транспорта Экмана, который приводит к возникновению областей апвеллинга из-за дивергенции воды.^[9] Возвращаясь к концепции сохранения массы, любая вода, вытесняемая транспортом Экмана, должна быть восполнена. Когда вода расходится, она создает пространство и действует как всасывание, чтобы заполнить пространство, подтягивая или поднимая глубинную морскую воду в эвфотическую зону.^[9]

Всасывание Экмана имеет серьезные последствия для биогеохимических процессов в этом районе, поскольку приводит к апвеллингу. Апвеллинг переносит богатые питательными веществами и холодные глубоководные воды в эвфотическую зону, способствуя цветению фитопланктона и создавая чрезвычайно высокопродуктивную среду.^[10] Районы апвеллинга приводят к развитию рыболовства, фактически, почти половина мирового улова рыбы приходится на районы апвеллинга.^[11]

Всасывание Экмана происходит как вдоль береговой линии, 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 есть области апвеллинга из-за всасывания Экмана, поскольку течения движутся к экватору.^[1] Из-за эффекта Кориолиса поверхностная вода перемещается на 90 ° влево (в Южном полушарии, когда она движется к экватору) ветрового течения, поэтому вода отклоняется от береговой границы, что приводит к всасыванию Экмана. Кроме того, есть области апвеллинга как следствие всасывания Экмана, где полярные ветры Истерли встречаются с Западными ветрами в приполярных регионах к северу от субтропиков, а также там, где северо-восточные пассаты встречаются с юго-восточными пассатами вдоль экватора.^[1] Точно так же из-за эффекта Кориолиса поверхностная вода перемещается на 90 ° влево (в южном полушарии) ветровых течений, и поверхностная вода расходится вдоль этих границ, что приводит к апвеллингу с целью сохранения массы.

Экман накачивает

Ekman Pumping - это компонент транспорта Ekman, который приводит к опусканию вниз из-за схождения воды.^[9] Как обсуждалось выше, концепция сохранения массы требует, чтобы скопление поверхностных вод было вытеснено вниз. Этот нагромождение теплой поверхностной воды с низким содержанием питательных веществ перекачивается вертикально вниз по толщине воды, что приводит к опусканию вниз.^[1]

Насос Экмана оказывает драматическое воздействие на окружающую среду. Опускание из-за откачки Экмана приводит к бедности воды питательными веществами, что снижает биологическую продуктивность территории.^[11] Кроме того, он переносит тепло и растворенный кислород вертикально вниз по толщине воды, когда теплая, богатая кислородом поверхностная вода перекачивается в глубоководные воды океана.^[11]

Насос Экмана можно найти как на побережье, так и в открытом океане. Вдоль Тихоокеанского побережья в Южном полушарии северные ветры движутся параллельно береговой линии.^[1] Из-за эффекта Кориолиса поверхностная вода притягивается на 90 ° вправо от ветрового течения, в результате чего вода сходится вдоль береговой границы, что приводит к откачке Экмана. В открытом океане откачка Экмана происходит круговоротами.^[1] В частности, в субтропиках, между 20 ° и 50 ° с.ш., происходит перекачка воды по Экману, поскольку пассаты переходят в западные, вызывая скопление поверхностных вод.^[1]

Математический вывод

Некоторые предположения о гидродинамике, участвующей в процессе, должны быть сделаны для того, чтобы упростить процесс до точки, в которой он разрешим. Предположения, сделанные Экманом, были следующими:^[12]

• не имеющий границ;
• бесконечно глубокая вода;
• вихревая вязкость, ${displaystyle A_ {z} ,!}$, является постоянным (это верно только для ламинарного потока. В турбулентном пограничном слое атмосферы и океана это сильно зависит от глубины);
• форсирование ветра устойчивое и дует давно;
• баротропный условия без геострофического потока;
• то Параметр Кориолиса, ${displaystyle f ,!}$ остается постоянным.

Упрощенные уравнения для силы Кориолиса в Икс и у направления следуют из этих предположений:

(1)  ${displaystyle {frac {1} {ho}} {frac {partial au _ {x}} {partial z}} = - fv ,,}$

(2)  ${displaystyle {frac {1} {ho}} {frac {partial au _ {y}} {partial z}} = fu ,,}$

куда ${displaystyle au,!}$ это напряжение ветра, ${displaystyle ho,!}$ это плотность, ${displaystyle u ,!}$ - скорость восток-запад, а ${displaystyle v ,!}$ - скорость север-юг.

Интегрируя каждое уравнение по всему слою Экмана:

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

${displaystyle au _ {y} = M_ {x} f ,,}$

куда

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

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

Здесь ${displaystyle M_ {x} ,!}$ и ${displaystyle M_ {y} ,!}$ представляют условия зонального и меридионального переноса массы с единицами массы в единицу времени на единицу длины. Вопреки общепринятой логике, ветры север-юг вызывают массовый перенос в направлении восток-запад.^[13]

Чтобы понять структуру вертикальной скорости водяного столба, уравнения 1 и 2 можно переписать в терминах вертикальной вихревой вязкости.

${displaystyle {frac {partial au _ {x}} {partial z}} = ho A_ {z} {frac {partial ^ {2} u} {partial z ^ {2}}} ,,!}$

${displaystyle {frac {partial au _ {y}} {partial z}} = ho A_ {z} {frac {partial ^ {2} v} {partial z ^ {2}}} ,,!}$

куда ${displaystyle A_ {z} ,!}$ - коэффициент вертикальной вихревой вязкости.

Это дает систему дифференциальных уравнений вида

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

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

Чтобы решить эту систему двух дифференциальных уравнений, можно применить два граничных условия:

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

Все можно упростить, если учесть ветер, дующий в у-направление только. Это означает, что результаты будут относиться к ветру с севера на юг (хотя эти решения могут быть получены относительно ветра в любом другом направлении):^[14]

(3) ${displaystyle {egin {align} u_ {E} & = pm V_ {0} cos left ({frac {pi} {4}} + {frac {pi} {D_ {E}}} zight) exp left ({frac {pi} {D_ {E}}} zight), v_ {E} & = V_ {0} sin left ({frac {pi} {4}} + {frac {pi} {D_ {E}}} zight ) exp left ({frac {pi} {D_ {E}}} zight), конец {выровнен}}}$

куда

• ${displaystyle u_ {E} ,!}$ и ${displaystyle v_ {E} ,!}$ представлять Ekman Transport в ты и v направление;
• в уравнении 3 знак плюса относится к северному полушарию, а знак минус - к южному полушарию;
• ${displaystyle V_ {0} = {frac {{sqrt {2}} pi au _ {stilla}} {D_ {E} ho | f |}};,!}$
• ${displaystyle au _ {stilla} ,!}$ - ветровое напряжение на поверхности моря;
• ${displaystyle D_ {E} = pi left ({frac {2A_ {z}} {| f |}} ight) ^ {1/2} ,!}$ - глубина Экмана (глубина слоя Экмана).

Решив это на z= 0, поверхностное течение оказалось (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 суммарный член переноса Экмана составляет 90 градусов вправо (влево) от ветра в северном (южном) полушарии.

Приложения

• Экман транспорт ведет к прибрежный апвеллинг, который обеспечивает питательными веществами некоторые из крупнейших рыболовных рынков на планете.^[15] и может повлиять на стабильность Антарктический ледяной щит вытягивая теплые глубоководные воды на континентальный шельф.^[16][17] Ветер в этих режимах дует параллельно берегу (например, вдоль побережья Перу, где ветер дует с юго-востока, а также в Калифорния, где дует с северо-запада). С точки зрения транспорта Экмана, поверхностные воды имеют чистое движение на 90 ° вправо от направления ветра в северном полушарии (слева в южном полушарии). Поскольку поверхностные воды стекают от берега, воду необходимо заменить водой снизу.^[18] В мелководных прибрежных водах спираль Экмана обычно не полностью сформирована, а ветровые явления, вызывающие эпизоды апвеллинга, обычно довольно короткие. Это приводит ко многим вариациям степени апвеллинга, но в целом эти идеи применимы.^[19]
• Экман транспорт аналогичным образом работает в экваториальный апвеллинг, где в обоих полушариях a пассат Компонент к западу вызывает чистый перенос воды к полюсу, а компонент пассата к востоку вызывает чистый перенос воды от полюса.^[15]
• В меньших масштабах циклонический ветры вызывают перенос Экмана, который вызывает расхождение и апвеллинг, или всасывание Экмана,^[15] пока антициклонический ветры вызывают чистую конвергенцию и нисходящий поток, или откачку Экмана^[20]
• Транспорт Экмана также является одним из факторов обращения океанские круговороты. Транспорт Экмана заставляет воду течь к центру круговорота во всех местах, создавая наклонную поверхность моря и инициируя геострофический поток (Коллинг, стр 65). Харальд Свердруп применил перенос Экмана, включая силы градиента давления, чтобы развить теорию для этого (см. Баланс Свердрупа ).^[20] Видеть: Мусорный участок

Смотрите также

• Скорость Экмана - Ветер индуцирует часть общей горизонтальной скорости в верхнем слое воды открытого океана, так что сила Кориолиса уравновешивается силой ветра

Примечания

Рекомендации

• Коллинг, А., Циркуляция океана, Команда Курсов Открытого Университета. Второе издание. 2001 г. ISBN  978-0-7506-5278-0
• Эмерсон, Стивен Р .; Хеджес, Джон И. (2017). Химическая океанография и морской углеродный цикл. Нью-Йорк, Соединенные Штаты Америки: Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-83313-4.
• Кнаусс, Дж. А., Введение в физическую океанографию, Waveland Press. Второе издание. 2005 г. ISBN  978-1-57766-429-1
• Линдстром, Эрик Дж. «Движение океана: определение: приводимые ветром поверхностные течения - апвеллинг и нисходящий поток». oceanmotion.org.
• Манн, К. и Lazier J.R., Динамика морских экосистем, Blackwell Publishing. Третье издание. 2006 г. ISBN  978-1-4051-1118-8
• Миллер, Чарльз Б .; Уиллер, Патрисия А. Биологическая океанография (Второе изд.). Вили-Блэквелл. ISBN  978-1-4443-3302-2.
• Понд С. и Пикард Г. Л., Вводная динамическая океанография, Пергамон Пресс. Второе издание. 1983 г. ISBN  978-0-08-028728-7
• Сармьенто, Хорхе Л .; Грубер, Николас (2006). Биогеохимическая динамика океана. Издательство Принстонского университета. ISBN  978-0-691-01707-5.
• Свердруп К.А., Даксбери А.С., Даксбери А.Б., Знакомство с Мировым океаном, Макгроу-Хилл. Издание восьмое. 2005 г. ISBN  978-0-07-294555-3

внешняя ссылка

• Что такое Экман транспорт?