Речной шлейф

Кодор Шлейф реки

Речной шлейф — распреснённая водная масса , образующаяся в море в результате смешения речного стока и соленой морской воды . Речные шлейфы формируются в прибрежных морских районах во многих регионах мира. Речные шлейфы обычно занимают широкие, но неглубокие поверхностные слои моря, ограниченные резкими градиентами плотности . Площадь речного плюма на 3–5 порядков превышает его глубину; поэтому даже малые реки со скоростями расходов ~1–10 м/с образуют речные плюмы с горизонтальной пространственной протяженностью ~10–100 м. Площади речных плюмов, образованных наиболее крупными реками, составляют ~100–1000 км2. ² . Несмотря на сравнительно небольшой объем общего пресной воды стока в Мировой океан , речные шлейфы занимают до 21% площади шельфа океана, т. е. несколько миллионов квадратных километров.

В некоторых случаях о речных шлейфах говорят как об регионах влияния пресной воды (ROFI), хотя предпочтительно использовать этот термин для регионов, в которых несколько источников добавляют к поступлению пресной воды в зону, или для мелких шельфов трения . ROFI и речные шлейфы различаются по вариациям во временном и пространственном масштабах. Речной шлейф можно определить как плавучую водную массу , которая возникает из-за стока рек в прибрежный океан и изменяется в течение суток или в синоптических временных масштабах. По краям этой водной массы происходит перемешивание водных масс, в результате чего создается область, прилегающая к речному шлейфу, разреженная и более пресная по сравнению с открытым океаном, но не имеющая четкой границы. Эта протяженная область называется областью влияния пресной воды, ROFI . Из-за косвенного влияния сброса пресной воды ROFI учитывают динамику и пространственную протяженность речных шлейфов, но обычно оцениваются в сезонных, годовых и десятилетних временных масштабах.

Процессы

Речные шлейфы играют важную роль в глобальных и региональных взаимодействиях суши и океана. Речные стоки обеспечивают большие потоки плавучести , тепла , терригенных отложений , биогенных веществ и антропогенных загрязнителей в океан . Речные шлейфы сильно влияют на многие физические , биологические и геохимические процессы в прибрежных и шельфовых районах моря, включая стратификацию , морской воды прибрежные течения , углеродные и биогеохимические циклы, первичную продукцию и морфологию морского дна .

Речной шлейф представляет собой динамическую систему, на которую влияют процессы с широким диапазоном временных и пространственных масштабов, которые зависят от размера и формы эстуария , а также от типа и вариации воздействия со стороны эстуария и океана . Механизмы обратной связи между осадками, отложившимися шлейфом в дельте подводной лодки , и геометрией дельты создают сложную систему. Из-за этой сложности (пока) не существует общей и простой теории, которая предлагала бы количественную предсказуемость движения частиц и структуры речных шлейфов; однако некоторые теории, включающие упрощенные предположения, помогли понять важные аспекты прибрежных течений, находящихся под влиянием плавучести . Как это обычно используется в гидродинамике , описанию этих сложных потоков помогает масштабный анализ для определения соответствующих процессов. Основными параметрами, определяющими структуру и масштаб отдельного речного шлейфа, являются расход пресной воды , энергия приливов , береговой линии батиметрия/геометрия , окружающие океанские течения , ветер и вращение Земли .

Структура

Баланс между важными процессами варьируется в зависимости от положения в шлейфе. Можно выделить следующие области: область источника, точку отрыва, фронт и область ближнего поля. За пределами самого шлейфа, но в пределах его зоны влияния находятся область среднего и дальнего поля.

Схематическое строение речного шлейфа, вид сверху. Адаптировано из Хорнер-Девайн (2015).

Исходный регион

В истоковой или устьевой области плавучесть и импульс притока пресной воды из устья являются доминирующими свойствами, определяющими возникновение речного шлейфа. Конкуренция между речной стратификацией и приливным перемешиванием определяет характерные свойства речного шлейфа. Эту конкуренцию можно отразить в (безразмерном) эстуарном числе Ричардсона , которое определяется как

$Ri_{E}=g_{r}'{\frac {Q_{r}}{W_{E}u_{tidal}^{3}}},$

где

• пониженная гравитация $g'_{r}=g(\Delta \rho /\rho _{0})$ — гравитационное ускорение , возникающее из-за плотностей разницы пресной речной воды и соленой океанской воды ,
• $Q_{r}$ это сток реки ,
• $W_{E}$ ширина устья , а
• $u_{tidal}$ это приливная скорость.

где

• $g'_{r}=g(\Delta \rho /\rho _{0})$ — гравитационное ускорение , возникающее из-за плотностей разницы пресной речной воды и соленой океанской воды ,
• $Q_{r}$ это сток реки ,
• $W_{E}$ ширина устья , а
• $u_{tidal}$ это приливная скорость.

Большое эстуарное число Ричардсона (т.е. $Ri_{E}\gg 1$) указывает на то, что пресноводные процессы являются доминирующими по сравнению с приливным влиянием и можно ожидать развития речного шлейфа.

Точка отрыва

При сильном речном воздействии, часто с большим устьевым числом Ричардсона , передняя часть шлейфа отделяется от нижней . Положение, в котором происходит разделение потока, называется точкой отрыва и устанавливает обращенную к суше границу ближнего поля. Этот момент важен для речных шлейфов, переносимых с поверхности.

Ближнепольная область

В ближнем поле импульс шлейфа превышает его плавучесть . Этот баланс представлен (безразмерным) числом Фруда , $Fr={u}/{\sqrt {gh}},$ и больше единицы в ближнем поле, что указывает на сверхкритический поток . Как точка отрыва, так и внешняя граница ближнего поля — фронт факела — характеризуются критическими условиями течения ( $Fr=1$), а течение в ближней зоне имеет черты, подобные струе. В балансе импульса преобладают баротропные и бароклинные градиенты давления , турбулентные напряжения сдвига и ускорение потока. Замедление потока вызвано главным образом сдвиговыми напряжениями на границе раздела шлейфа с окружающим океаном . В некоторых случаях ближняя зона не существует. Это, например, тот случай, если ширина устья реки велика по сравнению с радиусом деформации Россби : $L_{R}={\sqrt {gh}}/{f}$, и приток пресной воды выйдет из устья реки в виде шлейфа в дальней зоне. Когда приливы большие, шлейф ближнего поля также известен как приливный шлейф.

Средняя часть поля

Область перехода ближнепольной инерционной струи в течение, в котором геострофические или ветровые доминируют процессы, является областью среднего поля. В балансе импульса среднего поля преобладают вращение Земли ( эффект Кориолиса ), поперечные градиенты внутреннего давления и иногда центростремительное ускорение. Начальный импульс истечения из источника теряется и ветровое воздействие (или вращение Земли в случае небольшого ветрового воздействия) постепенно становится важнейшим параметром. В результате поток меняет свою скорость, направление и характер распространения. Когда влияние ветра невелико, потоки иногда могут образовывать рециркулирующую выпуклость; однако свидетельства такой особенности в полевых наблюдениях скудны.

Дальний регион

Еще дальше от источника находится дальнее поле, где шлейф потерял всякую память об импульсе истечения. В балансе импульса дальнего поля преобладают вращение Земли ( эффект Кориолиса ), плавучесть , воздействие ветра и донное напряжение. Дальнее поле может охватывать большие территории, до сотен километров от источника. Суточная и полусуточная изменчивость дальней зоны обычно определяется приливами , синоптическая изменчивость — воздействием ветра , а сезонная изменчивость — речным стоком. В отсутствие сильного ветра и сильных течений шлейф в дальней зоне может вести себя как поток относительно пресной воды в направлении распространяющейся волны Кельвина . Примеры этого можно наблюдать в Рейнском ROFI , где речной шлейф можно проследить по всему голландскому побережью. Характер этого прибрежного течения различен в случае мелководных морей, когда течение занимает всю толщу воды и на его движение влияет донное трение , и в случае поверхностно-адвективного шлейфа, вертикальный размер которого меньше размера воды. глубина.

Адвекция

На самом базовом и идеализированном уровне речные шлейфы можно разделить на адвектируемые с поверхности или с адвекцией по дну . Шлейф считается адвектируемым снизу, если он занимает всю толщу воды от поверхности до морского дна . При этом ее расслоение преимущественно горизонтальное в результате сильной адвекции по всей толще воды , особенно у дна . Адвектируемый с поверхности шлейф не взаимодействует со дном , поскольку его вертикальный размер меньше глубины. В этом случае шлейф преимущественно вертикально стратифицирован . Различие между этими двумя (идеализированными) типами речных шлейфов можно провести путем оценки набора параметров, установленных Янковским и Чепменом в их статье 1997 года. Расстояние, на которое шлейф пресной воды реки переносится через шельф в результате процессов на поверхности, определяется выражением

$y_{s}={\frac {2}{f}}{\sqrt {\frac {3g'h_{0}+v_{i}^{2}}{2g'h_{0}+v_{i}^{2}}}},$

где

• $v_{i}$ – скорость истечения из области источника и ближней струи,
• $f$ это сила Кориолиса,
• $g'$ это плавучесть, и
• $h_{0}$ — глубина водного столба в устье реки / эстуария .

До точки отрыва плюм все еще «чувствует» дно, и можно говорить о плюмах, адвектируемых дном, и необходимо учитывать соответствующие процессы, включающие динамику дна. Вертикальные масштабы речных шлейфов, образуемых крупнейшими реками мира, составляют 10-20 м, тогда как вертикальный масштаб большинства речных шлейфов составляет менее нескольких метров. В результате большинство речных шлейфов в мире переносятся с поверхности; то есть часть с придонной адвекцией вблизи эстуария перед точкой отрыва в этих плюмах намного меньше, чем часть с поверхностной адвекцией. Речные шлейфы с крупными адвективными по дну частями формируются преимущественно крупными реками, впадающими в мелководные участки моря, например Волжский шлейф в северной части Каспийского моря .

Нижние шлейфы

Схематическая структура речного шлейфа, направленного снизу, вид сверху. Адаптировано из Янковского и Чепмена (1997). .

Схематическое строение речного шлейфа, адвективного по дну, вид сбоку. Адаптировано из Янковского и Чепмена (1997). .

Шлейфы, адвектируемые снизу, часто характеризуются большими расходами и, как правило, менее чувствительны к воздействию ветра и соответствующей адвекции и перемешиванию. Этот тип адвекции вызывается придонным переносом Экмана , который вызывает пресный или солоноватой речной сток с плотностью $\rho _{i}$ и скорость $v_{i}$ от устья шириной $L$ и глубина $h_{0}$ в лобовую зону через полку. Это указано на рисунке справа. Когда фронтальная зона находится достаточно далеко от берега, динамика теплового ветра может переносить весь объемный поток от устья. Береговое положение $y_{b}$, обозначающее ширину прибрежного течения и равновесную глубину $h_{b}$ при котором шлейф отделяется от дна, можно рассчитать в условиях равновесия при определенном уклоне дна $s$ к

$h_{b}={\sqrt {\frac {2fv_{i}h_{0}}{g'}}}$

$y_{b}={\frac {h_{0}}{s}}({\sqrt {\frac {2fLv_{i}}{g'h_{0}}}}-1)$.

Обратите внимание, что это справедливо только тогда, когда $h_{b}>h_{0}$. Когда $h_{b}<h_{0}$нижний слой Экмана не может переносить речной сток в море, и распространением управляет другой процесс. В этом случае обнаруживается только поверхностно-адвективный шлейф.

Адвектируемые с поверхности шлейфы

Схематическая структура речного шлейфа, переносимого с поверхности, вид сверху. Адаптировано из Янковского и Чепмена (1997). .

Схематическая структура речного шлейфа, адвектируемого с поверхности, вид сбоку. Адаптировано из Янковского и Чепмена (1997). .

Адвективные шлейфы возникают, когда ранее определенное условие $h_{b}<h_{0}$ встречается. Шлейф, адвектируемый с поверхности, имеет типичную структуру речного шлейфа, как описано в разделе « Структура речного шлейфа» . В районе устья доминирующим механизмом является первоначальный импульс стока реки, после чего другие процессы, такие как воздействие ветра и эффект Кориолиса начинают действовать . В поверхностно-адвективном шлейфе. процессы, касающиеся взаимодействия со дном, такие как развитие донного слоя Экмана, не имеют значения. Следовательно, определяемый параметр $y_{b}$в этом подходе можно игнорировать, поскольку он не имеет физической основы.

Промежуточные шлейфы

В случае, если глубина притока $h_{0}$ меньше глубины $h_{b}$, а расстояние, на которое нижний слой Экмана переносит речной сток, меньше расстояния, на которое поверхностные процессы переносят речной сток, ( $y_{b}<y_{s}$), можно обнаружить промежуточный шлейф. В промежуточном факеле наблюдаются оба режима. Естественно, участок с донной адвекцией можно найти ближе к устью устья, а участок с поверхностной адвекцией - дальше от берега. Точка отрыва разделяет регионы.

Подход можно дополнительно обобщить путем обезразмеривания параметров. Преимущество безразмерных параметров состоит в том, что они упрощают динамику соответствующих процессов за счет оценки величины различных условий. В случае речных шлейфов это дает дальнейшее направление базовой классификации и их различной динамике. Два наиболее важных безразмерных числа — это число Бюргера. $S={\sqrt {g'h_{0}}}/(fL)$, выражающее относительную важность плавучести , и число Россби $Ro=v_{i}/(fL)$, что выражает относительную важность адвекции. Перегруппировка приводит к следующим безразмерным расстояниям между берегами. $Y_{b}$ и $Y_{s}$:

$Y_{s}={\frac {2(3S^{2}+Ro^{2})}{\sqrt {2S^{2}+Ro^{2}}}}$

$Y_{b}={\frac {h_{0}}{sL}}({\frac {\sqrt {2Ro}}{S}}-1)$.

Те же режимы, что обсуждались выше, справедливы и для безразмерных параметров. Нижние плюмы ( $h_{b}>h_{0}$, $Y_{b}>Y_{s}$), как правило, имеют небольшое число Бюргеров , и поэтому плавучесть относительно не важна. Адвектируемые с поверхности шлейфы ( $h_{b}<h_{0}$), как правило, имеют большое количество бургеров , поэтому плавучесть важна. Кроме того, число Россби указывает, классифицируется ли шлейф как шлейф с поверхностной адвекцией или как промежуточный шлейф. Относительно большое число Россби по сравнению с числом Бюргера указывает на то, что адвекция важна по сравнению с плавучестью и позволяет произойти хотя бы частичной донной адвекции, так что можно ожидать промежуточного шлейфа.

Заметим, что описанная выше схема была разработана для идеализированных случаев, то есть для речных шлейфов в отсутствие внешнего воздействия, впадающих в море с идеализированной батиметрией и береговой линией.

Приливное изменение

Речные шлейфы варьируются от суточных до синоптических временных масштабов. В этом диапазоне временных масштабов наиболее важные периодические вариации лежат в пределах приливного цикла, в котором можно выделить приливной цикл (суточный) и весенне-приливный цикл (двухнедельный). Это баротропное изменение величины и направления приливной скорости приводит к изменчивости силы и устойчивости речного шлейфа. Это уже ясно из конкуренции между речным стоком и приливным перемешиванием, отраженной в (безразмерном) эстуарном числе Ричардсона. $Ri_{E}=g_{r}'{Q_{r}}/W_{E}u_{tidal}^{3}$, который используется для общей оценки возможности развития речного шлейфа в определенной системе. Приливная динамика приводит к следующей общей динамике речных шлейфов.

Приливный цикл

Приливные изменения в стратификации шлейфа . Приливное напряжение для отливных потоков и приливное перемешивание для паводковых потоков.

Цикл приливов состоит из периода паводка или потока, направленного к суше, и периода отлива или потока, направленного в сторону моря. Для постоянного речного стока $Q_{r}$ можно встретить устойчивую стратификацию во время отлива и неустойчивую стратификацию в условиях паводка. Схематически это изображено на рисунке справа. Перемешивание, происходящее во время паводка из-за неустойчивой стратификации, ослабляет стратификацию и эффективную адвекцию речного шлейфа. и происходит в ситуациях с низкой численностью Ричардсона в эстуарии .

В период отлива стратификация усиливается. Это приводит к стабильным условиям и сильной адвекции на поверхности. Из-за сохранения массы эта ситуация требует увеличения потоков, направленных к суше у дна. Этот процесс называется приливным напряжением . В случае открытого побережья начинают играть роль двумерные эффекты. Бароклинный транспорт Экмана вызывает апвеллинг во время отливов и нисходящий поток во время паводков. Таким образом, эти эффекты бароклинного апвеллинга могут вызвать отливы, переносящие питательные вещества и отложения к побережью.

Весенний цикл

Схема крайних значений весеннего прилива и прилива для стратификации речного шлейфа . Адаптировано из Валле-Левинсона (2010). .

В период весенне-приливного цикла бароклинные эффекты во время приливного цикла усиливаются и способствуют либо увеличению приливной деформации, либо приливному перемешиванию. Весенние приливы характеризуются относительно большими приливными амплитудами и скоростями приливных потоков. Это приводит к усилению приливного перемешивания на протяжении всего приливного цикла и ослаблению стратификации . В некоторых районах стратификация полностью исчезает, в результате чего образуется хорошо перемешанная система, и эти системы могут лишь иногда включать речные шлейфы. В с открытым побережьем системах условия весеннего прилива обычно приводят к усилению нисходящего эффекта от плавучего речного шлейфа, вызывая увеличение переноса наносов и питательных веществ в сторону моря .

Неприливные приливы характеризуются относительно небольшими приливными амплитудами и скоростями приливных потоков. Эта ситуация благоприятствует эффекту приливной деформации, наблюдаемому во время отлива из-за уменьшения приливного перемешивания и увеличения дифференциального потока в течение приливного цикла . Из-за более сильного приливного напряжения условия прилива обычно характеризуются увеличением потока в сторону суши у дна и связанным с этим усилением прибрежного апвеллинга . В крайних случаях это может привести к крупным отложениям на пляже , как, например, массовый выброс морских звезд на побережье недалеко от Схевенингена 30 января 2019 года.

Естественные примеры

Фрейзер Ривер

реки Фрейзер Шлейф

Примером шлейфа, переносимого с поверхности, является шлейф реки Фрейзер . Шлейф реки Фрейзер содержит все динамические области, хорошо видимые из космоса. Первоначальная струйная структура постепенно переходит в шлейф в дальней зоне дальше от берега, который отклоняется вправо, как и следовало ожидать в Северном полушарии, из-за эффекта Кориолиса . Другими похожими речными шлейфами являются реки Колумбия , Ниагара и Гудзон .

Река Амазонка

реки Амазонки Шлейф

является Шлейф реки Амазонки примером речного шлейфа, в котором вращение Земли не играет роли. Из-за высокого расхода , соответствующего импульса истечения Фруда и экваториальной широты динамика шлейфа в основном характеризуется внутренним числом . Окружающие течения уносят шлейф от устья. Подобные шлейфы можно найти и в других местах вдоль экватора .

Река Мерси

реки Мерси Шлейф

Динамика шлейфа реки Мерси в устье Ливерпульского залива очень похожа на шлейф, адвектируемый дном. Это связано с сильным влиянием дна и придонного трения на поток, что определяет поперечное распространение и масштаб длины. Этот тип шлейфа часто можно встретить в окраинных и шельфовых морях , например, в Северном море в устье Рейна .

См. также

• Шлейф (гидродинамика)
• Регион влияния пресной воды

Внешние ссылки

• Стивен Лоренц. «Процессы и динамика речных шлейфов» . Школа морских наук и технологий Массачусетского университета, Дартмут . Проверено 13 февраля 2021 г.