Внутренний прилив
Внутренние приливы генерируются, когда поверхностные приливы перемещают стратифицированную воду вверх и вниз по наклонному рельефу, что создает волны во внутренней части океана. Таким образом, внутренние приливы — это внутренние волны с приливной частотой. Другим основным источником внутренних волн является ветер, который создает внутренние волны, близкие к инерционной частоте. Когда небольшой водный пакет смещается из положения равновесия, он возвращается либо вниз под действием силы тяжести, либо вверх под действием плавучести. Водный пакет выйдет за пределы своего первоначального положения равновесия, и это возмущение вызовет внутреннюю гравитационную волну. Мунк (1981) отмечает: «Гравитационные волны во внутренней части океана встречаются так же часто, как и волны на морской поверхности, а возможно, даже в большей степени, поскольку никто никогда не сообщал о внутреннем штиле». [1]
Простое объяснение
[ редактировать ]
Поверхностный прилив распространяется как волна , при которой участки воды во всей толще воды колеблются в одном направлении в заданной фазе (т. е. во впадине или на гребне, рис. 1, вверху). Это означает, что хотя форма самой поверхностной волны может распространяться по поверхности воды, сами частицы жидкости ограничены относительно небольшой окрестностью. Жидкость движется вверх при прохождении гребня поверхностной волны и вниз при прохождении впадины. Боковое движение служит только для компенсации разницы высот в толще воды между гребнем и впадиной волны: когда поверхность поднимается в верхней части столба воды, вода движется вбок внутрь от соседних столбов воды, движущихся вниз, чтобы восполнить за изменение объема водного столба. Хотя это объяснение фокусируется на движении океанской воды, описываемое явление по своей природе является межфазной волной, при этом зеркальные процессы происходят по обе стороны границы раздела двух жидкостей: океанской воды и воздуха. На простейшем уровне внутреннюю волну можно представить как межфазную волну (рис. 1, внизу) на границе двух слоев океанов, дифференцированных по изменению свойств воды, таких как теплый поверхностный слой и холодный глубинный. слой, разделенный термоклином. Когда поверхностный прилив распространяется между этими двумя слоями жидкости на поверхности океана, гомологичная внутренняя волна имитирует ее внизу, образуя внутренний прилив. Межфазное движение между двумя слоями океана велико по сравнению с поверхностным движением, поскольку, хотя, как и в случае с поверхностными волнами, восстанавливающей силой для внутренних волн и приливов по-прежнему является гравитация, ее эффект снижается, поскольку плотности двух слоев относительно одинаковы по сравнению с плотностью поверхностного слоя. большая разница плотности на границе раздела воздух-море. Таким образом, внутри океана возможны большие смещения, чем на поверхности моря.
Приливы происходят преимущественно в суточный и полусуточный периоды. Основная лунная полусуточная составляющая известна как M2 и обычно имеет самые большие амплитуды. (Для получения дополнительной информации см. внешние ссылки.)
Расположение
[ редактировать ]Самые большие внутренние приливы возникают на крутых срединно-океанических рельефах, таких как Гавайский хребет, Таити, хребет Маккуори и подводные хребты в проливе Лусон. [3] Континентальные склоны, такие как северо-западный шельф Австралии, также вызывают сильные внутренние приливы. [4] Эти внутренние приливы могут распространяться на суше и рассеиваться так же, как поверхностные волны. Или внутренние приливы могут распространяться за пределы топографии в открытый океан. По оценкам, для высоких и крутых рельефов срединно-океанического типа, таких как Гавайский хребет, около 85% энергии внутреннего прилива распространяется в глубокие глубины океана, при этом около 15% энергии теряется в пределах примерно 50 км от места генерации. сайт. Потерянная энергия способствует турбулентности и перемешиванию вблизи мест генерации. [5] [6] Неясно, где рассеивается энергия, покидающая место генерации, но есть 3 возможных процесса: 1) внутренние приливы рассеиваются и/или разрушаются на удаленной топографии срединного океана, 2) взаимодействия с другими внутренними волнами удаляют энергию из внутреннего прилива. или 3) внутренние приливы мелят и разбиваются о континентальные шельфы.
Распространение и рассеяние
[ редактировать ]
Бриско (1975) отмечал, что «мы пока не можем удовлетворительно ответить на вопросы: откуда берется внутренняя волновая энергия, куда она уходит и что с ней происходит на этом пути?» [7] Хотя технологические достижения в области приборов и моделирования позволили расширить знания о внутренних приливах и генерации почти инерционных волн, Гарретт и Кунце (2007) заметили 33 года спустя, что «судьба излучаемых [крупномасштабных внутренних приливов] все еще неясна. Они могут рассеяться на [волны меньшего размера] при дальнейшем столкновении с островами. [8] [9] или неровное морское дно [10] , или передать свою энергию более мелким внутренним волнам в недрах океана. [11] или «обрыв на далеких материковых склонах [12] ”. [13] Сейчас известно, что большая часть энергии внутренних приливов, генерируемой на высоких крутых склонах Средиземного океана, излучается в виде крупномасштабных внутренних волн. Эта излучаемая энергия внутренних приливов является одним из основных источников энергии в глубинах океана, составляя примерно половину потребляемой энергии ветра.. [14] Более широкий интерес к внутренним приливам стимулируется их влиянием на величину и пространственную неоднородность перемешивания, что, в свою очередь, оказывает эффект первого порядка на меридиональную опрокидывающую циркуляцию. [3] [14] . [15]
Внутренняя приливная энергия за один приливный период, проходящая через область, перпендикулярную направлению распространения, называется потоком энергии и измеряется в Ватт/м. . Поток энергии в одной точке можно суммировать по глубине — это интегрированный по глубине поток энергии, измеряемый в Ватт/м. Гавайский хребет производит интегрированные по глубине потоки энергии мощностью до 10 кВт/м. Волны с самой длинной длиной волны являются самыми быстрыми и, следовательно, несут большую часть потока энергии. Около Гавайских островов типичная длина волны самого длинного внутреннего прилива составляет около 150 км, а следующего по длине — около 75 км. Эти волны называются модой 1 и модой 2 соответственно. Хотя на рис. 1 показано, что внутренний прилив не проявляется на морской поверхности, на самом деле имеет место смещение на несколько сантиметров. Эти проявления внутреннего прилива на морской поверхности на разных длинах волн можно обнаружить с помощью спутников Topex/Poseidon или Jason-1 (рис. 2). [9] Около 15 северной широты, 175 западной долготы на хребте Лайн-Айлендс внутренние приливы режима 1 рассеиваются по топографии, возможно, создавая турбулентность и перемешивание, а также создавая внутренние приливы режима 2 с меньшей длиной волны. [9]
Неизбежный вывод заключается в том, что энергия теряется от поверхностного прилива к внутреннему приливу в топографии срединного океана и на континентальных шельфах, но энергия внутреннего прилива не обязательно теряется в одном и том же месте. Внутренние приливы могут распространяться на тысячи километров и более, прежде чем разрушить и перемешать абиссальный океан.
Глубинное перемешивание и меридиональная опрокидывающая циркуляция.
[ редактировать ]Важность внутренних приливов и внутренних волн в целом связана с их разрушением, рассеиванием энергии и перемешиванием глубин океана. Если бы в океане не было перемешивания, глубокий океан представлял бы собой холодный застойный бассейн с тонким теплым поверхностным слоем. [16] В то время как меридиональная опрокидывающая циркуляция (также называемая термохалинной циркуляцией ) перераспределяет около 2 ПВт тепла из тропиков в полярные регионы, источником энергии для этого потока является внутреннее перемешивание, которое сравнительно гораздо меньше - около 2 ТВт. [14] Сандстрем (1908) показал, что жидкость, которая одновременно нагревается и охлаждается на своей поверхности, не может развивать глубокую опрокидывающую циркуляцию. [17] Большинство глобальных моделей учитывают равномерное перемешивание по всему океану, поскольку они не учитывают и не учитывают внутренние приливные потоки.
Однако сейчас модели начинают включать пространственно-переменное перемешивание, связанное с внутренними приливами и неровной топографией, где они генерируются, а также отдаленную топографию, где они могут разрушаться. Вунш и Феррари (2004) описывают глобальное воздействие пространственно-неоднородного перемешивания вблизи топографии Срединного океана: «Ряд доказательств, ни одна из которых не является полной, предполагают, что общая циркуляция океана, далекая от того, чтобы быть тепловой двигатель, почти полностью управляется воздействием поля ветра и, во вторую очередь, глубокими водными приливами... Неизбежный вывод о том, что на большей части океана значительное «вертикальное» перемешивание ограничивается топографически сложными пограничными областями, подразумевает потенциально радикально иную внутреннюю циркуляцию, чем это возможно при равномерном перемешивании. Модели циркуляции океана... не учитывают в явном виде поступление энергии в систему и не обеспечивают поскольку пространственная изменчивость в смешивании имеет какое-либо физическое значение в изменившихся климатических условиях, то это под вопросом». Существует ограниченное понимание «источников, контролирующих внутреннюю волновую энергию в океане и скорость, с которой он рассеивается» и только сейчас разрабатывают некоторые «параметризации смешивания, генерируемого взаимодействие внутренних волн, мезомасштабные вихри , высокочастотные баротропные колебания и другие движения над наклонный рельеф».
Внутренние приливы на пляже
[ редактировать ]
Внутренние приливы также могут рассеиваться на континентальных склонах и шельфах. [12] или даже находиться в пределах 100 м от пляжа (рис. 3). Внутренние приливы приносят импульсы холодной воды к берегу и создают большие вертикальные перепады температур. Когда поверхностные волны разбиваются, холодная вода перемешивается вверх, делая воду холодной для серферов, пловцов и других любителей пляжного отдыха. Поверхностные воды в зоне прибоя могут измениться примерно на 10°C примерно за час.
Внутренние приливы, внутреннее перемешивание и биологическое улучшение.
[ редактировать ]Внутренние приливы, генерируемые приливными полусуточными течениями, воздействующими на крутые подводные хребты в островных проходах, например, в проливе Мона или вблизи края шельфа, могут усиливать турбулентную диссипацию и внутреннее перемешивание вблизи места образования. Развитие неустойчивости Кельвина-Гельмгольца во время разрушения внутреннего прилива может объяснить образование пятен с высокой диффузией, генерирующих вертикальный поток нитратов (NO 3 − ) в фотозону и может локально поддерживать новое производство . [18] [19] Другой механизм увеличения потока нитратов во время весенних приливов обусловлен импульсами сильной турбулентной диссипации, связанной с высокочастотными внутренними солитонными пакетами. [20] Некоторые внутренние солитонные пакеты являются результатом нелинейной эволюции внутреннего прилива.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Мунк, В. (1981). Б. А. Уоррен; К. Вунш (ред.). «Внутренние волны и мелкомасштабные процессы». Эволюция физической океанографии . Массачусетский технологический институт Пресс : 264–291.
- ^ Гилл, А.Е. (1982). Динамика атмосферы и океана . Академический. стр. 662 . ISBN 978-0-12-283522-3 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Симмонс, Х.Л.; БК Арбич и Р.В. Холлберг (2004). «Генерация внутренних волн в модели глобального бароклинного прилива». Глубоководные исследования. Часть II . 51 (25–26): 3043–3068. Бибкод : 2004DSRII..51.3043S . CiteSeerX 10.1.1.143.5083 . дои : 10.1016/j.dsr2.2004.09.015 .
- ^ Холлоуэй, ЧП (2001). «Региональная модель полусуточного прилива на северо-западном шельфе Австралии» . Дж. Геофиз. Рез . 106 (C9): 19, 625–19, 638. Бибкод : 2001JGR...10619625H . дои : 10.1029/2000jc000675 .
- ^ Картер, Г.С.; YL Стрельба; М. А. Меррифилд; Дж. М. Беккер; К. Кацумата; MC Грегг; Д. С. Лютер; Доктор медицинских наук Левин и Ти Джей Бойд (2008). «Энергетика баротропной-бароклинной приливной конверсии М2 на Гавайских островах» . Дж. Физ. Океаногр . 38 (10): 2205–2223. Бибкод : 2008JPO....38.2205C . дои : 10.1175/2008JPO3860.1 .
- ^ Климак, Дж. М.; MC Грегг; Дж. Н. Моум; Джей Ди Нэш; Э. Кунце; Дж. Б. Гертон; Дж.С. Картер; К.М. Ли и Т.Б. Сэнфорд (2006). «Оценка приливной энергии, потерянной из-за турбулентности на Гавайском хребте» . Дж. Физ. Океаногр . 36 (6): 1148–1164. Бибкод : 2006JPO....36.1148K . дои : 10.1175/JPO2885.1 .
- ^ Бриско, М. (1975). «Введение в сборник статей по океанографическим внутренним волнам». Дж. Геофиз. Рез . 80 (3): 289–290. Бибкод : 1975JGR....80..289B . дои : 10.1029/JC080i003p00289 .
- ^ Джонстон, ТМС; М. А. Меррифилд (2003). «Внутреннее приливное рассеяние на подводных горах, хребтах и островах» . Дж. Геофиз. Рез . 108. (C6) 3126 (C6): 3180. Бибкод : 2003JGRC..108.3180J . дои : 10.1029/2002JC001528 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Джонстон, ТМС; П. Е. Холлоуэй и М. А. Меррифилд (2003). «Рассеяние внутренних приливов на хребте Лайн-Айлендс» . Дж. Геофиз. Рез . 108. (C11) 3365 (C11): 3365. Бибкод : 2003JGRC..108.3365J . дои : 10.1029/2003JC001844 .
- ^ Сен-Лоран; ЛК; К. Гарретт (2002). «Роль внутренних приливов в перемешивании глубин океана» . Дж. Физ. Океаногр . 32 (10): 2882–2899. Бибкод : 2002JPO....32.2882S . doi : 10.1175/1520-0485(2002)032<2882:TROITI>2.0.CO;2 . ISSN 1520-0485 .
- ^ Маккиннон, Дж.А.; КБ Винтерс (2005). «Субтропическая катастрофа: значительная потеря низкомодовой приливной энергии при температуре 28,9 градусов» . Геофиз. Рез. Летт . 32 (15): L15605. Бибкод : 2005GeoRL..3215605M . дои : 10.1029/2005GL023376 . S2CID 54573466 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Нэш, доктор медицинских наук; Р.В. Шмитт; Э. Кунце и Дж. М. Тул (2004). «Внутреннее приливное отражение и турбулентное перемешивание на континентальном склоне» . Дж. Физ. Океаногр . 34 (5): 1117–1134. Бибкод : 2004JPO....34.1117N . doi : 10.1175/1520-0485(2004)034<1117:ITRATM>2.0.CO;2 . ISSN 1520-0485 .
- ^ Гарретт, К.; Э. Кунце (2007). «Поколение внутренних приливов в глубоком океане». Анну. Преподобный Fluid Mech . 39 (1): 57–87. Бибкод : 2007АнРФМ..39...57Г . doi : 10.1146/annurev.fluid.39.050905.110227 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Вунш, К.; Р. Феррари (2004). «Вертикальное перемешивание, энергия и общая циркуляция океана». Анну. Преподобный Fluid Mech . 36 (1): 281–314. Бибкод : 2004AnRFM..36..281W . CiteSeerX 10.1.1.394.8352 . doi : 10.1146/annurev.fluid.36.050802.122121 .
- ^ Мунк, В.; Вунш, К. (1998). «Бездные рецепты II: Энергетика смешения приливов и ветров». Глубоководные исследования . 45 (12): 1977–2010. Бибкод : 1998DSRI...45.1977M . дои : 10.1016/S0967-0637(98)00070-3 .
- ^ Мунк, В. (1966). «Бездные рецепты». Глубоководные исследования . 13 (4): 707–730. Бибкод : 1966DSRA...13..707M . дои : 10.1016/0011-7471(66)90602-4 .
- ^ Сандстром, JW (1908). «Динамические эксперименты с морской водой». Энн. Гидродин. Морская метеорология : 6.
- ^ Альфонсо-Соса, Э. (2002). Временная изменчивость первичной продукции фитопланктона на станции CaTS (Карибская станция временных рядов): с акцентом на влияние полусуточного внутреннего прилива на продукцию ( PDF ) . Кандидатская диссертация. Департамент морских наук, Университет Пуэрто-Рико, Маягуэс, Пуэрто-Рико. Публикация UMI ААТ 3042382. с. 407 . Проверено 25 августа 2014 г.
- ^ Альфонсо-Соса, Э.; Дж. Морелл; Дж. М. Лопес; Дж. Э. Капелла и А. Дьеппа (2002). «Вызванные внутренними приливами изменения первичной продуктивности и оптических свойств в проливе Мона, Пуэрто-Рико» ( PDF ) . Проверено 1 января 2015 г.
- ^ Шарплс, Дж.; В. Кривцов; Дж. Ф. Тведдл; ДЖЕМ Грин; г-н Палмер; Ю. Ким; А.Е. Хикман; Премьер-министр Холлиган; К.М. Мур; Т. П. Риппет и Дж. Х. Симпсон (2007). «Весенняя модуляция внутреннего приливного перемешивания и вертикальных потоков нитратов на краю шельфа летом» . Лимнол. Океаногр . 52 (5): 1735–1747. Бибкод : 2007LimOc..52.1735S . дои : 10.4319/lo.2007.52.5.1735 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- [1] Океанографический институт Скриппса.
- [2] Система наблюдения за океаном в прибрежной зоне Южной Калифорнии.
- [3] Внутренние приливы океанов, Харпер Симмонс, Дженн Вагаман из Суперкомпьютерного центра Арктического региона.
- [4] Основные приливные составляющие в учебнике по физической океанографии, Боб Стюарт из Техасского университета A&M.
- [5] Работа Эрика Кунце о внутренних волнах, внутренних приливах, смешивании и многом другом.
