Экман транспорт

Транспорт Экмана — это чистое движение жидкости в результате баланса между силами Кориолиса и турбулентными силами сопротивления. На изображении выше ветер, дующий на север в северном полушарии, создает поверхностное напряжение, и возникающая в результате спираль Экмана обнаруживается под ним в толще воды .

Транспорт Экмана является частью теории движения Экмана, впервые исследованной в 1902 году Вагном Вальфридом Экманом . Ветры являются основным источником энергии для циркуляции океана, а транспорт Экмана является компонентом ветровых океанских течений. Перенос Экмана происходит, когда поверхностные воды океана подвергаются воздействию силы трения, действующей на них через ветер. Когда дует ветер, он создает силу трения на поверхности океана, которая увлекает за собой верхние 10-100 метров водного столба. Однако из-за влияния эффекта Кориолиса океанская вода движется под углом 90° к направлению приземного ветра. Направление переноса зависит от полушария: в северном полушарии перенос происходит под углом 90° по часовой стрелке от направления ветра, а в южном полушарии - под углом 90° против часовой стрелки. Это явление было впервые отмечено Фритьофом Нансеном , который записал, что перенос льда, по-видимому, происходил под углом к ​​направлению ветра во время его арктической экспедиции 1890-х годов. Транспорт Экмана оказывает значительное влияние на биогеохимические свойства мирового океана. Это связано с тем, что это приводит к апвеллингу (всасывание Экмана) и нисхождению (накачка Экмана), чтобы подчиняться законам сохранения массы. Массовое сохранение, что касается переноса Экмана, требует, чтобы любая вода, вытесненная на определенной территории, была восполнена. Это можно сделать с помощью всасывания Экмана или накачки Экмана в зависимости от режима ветра.

Теория

Теория Экмана объясняет теоретическое состояние циркуляции, если бы потоки воды приводились в движение только за счет передачи импульса от ветра. В физическом мире это трудно наблюдать из-за влияния множества одновременных текущих движущих сил (например, градиентов давления и плотности ). Хотя следующая теория технически применима к идеализированной ситуации, включающей только силы ветра, движение Экмана описывает ветровую часть циркуляции, наблюдаемую в поверхностном слое.

Поверхностные течения текут под углом 45° к ветру из-за баланса между силой Кориолиса и сопротивлением , создаваемым ветром и водой. Если океан разделен вертикально на тонкие слои, величина скорости (скорость) уменьшается от максимума на поверхности до тех пор, пока не рассеется. Направление также слегка смещается по каждому последующему слою (вправо в северном полушарии и влево в южном полушарии). Это называется спиралью Экмана . Слой воды от поверхности до места диссипации этой спирали известен как слой Экмана . Если весь поток по слою Экмана интегрирован, то чистый перенос будет находиться под углом 90° вправо (слева) от приземного ветра в северном (южном) полушарии.

Механизмы

Существует три основных режима ветра, которые приводят к всасыванию или откачке Экмана. Первые — это направления ветра, параллельные береговой линии. Из-за эффекта Кориолиса поверхностные воды движутся под углом 90° к ветровому течению. Если ветер движется в направлении, вызывающем отвод воды от берега, произойдет всасывание Экмана. С другой стороны, если ветер движется таким образом, что поверхностные воды движутся к береговой линии, тогда будет осуществляться откачка по Экману.

Второй механизм ветровых течений, приводящий к переносу Экмана, - это пассаты к северу и югу от экватора, притягивающие поверхностные воды к полюсам. На экваторе наблюдается сильный апвеллинг Экмана, поскольку вода вытягивается к северу от экватора и к югу от экватора. Это приводит к дивергенции воды, что приводит к всасыванию Экмана и, следовательно, к апвеллингу.

Третий режим ветра, влияющий на перенос Экмана, — это крупномасштабные ветровые режимы в открытом океане. Циркуляция ветра в открытом океане может привести к образованию водоворотов из скопившейся на поверхности моря воды, что приводит к горизонтальным градиентам высоты морской поверхности. Это скопление воды приводит к нисходящему потоку и всасыванию воды из-за силы тяжести и баланса массы. Следствием этого сближения воды является откачка Экмана вниз в центральном океане.

Экман всасывание

Всасывание Экмана - это компонент транспорта Экмана, который приводит к образованию областей апвеллинга из-за дивергенции воды. Возвращаясь к концепции массового сохранения, любая вода, вытесненная транспортом Экмана, должна быть восполнена. Когда вода расходится, она создает пространство и действует как всасывание, заполняя пространство, подтягивая или поднимая глубоководную морскую воду в эвфотическую зону.

Всасывание Экмана имеет серьезные последствия для биогеохимических процессов в этом районе, поскольку приводит к апвеллингу. Апвеллинг переносит богатую питательными веществами и холодную глубоководную воду в эвфотическую зону, способствуя цветению фитопланктона и создавая чрезвычайно высокопродуктивную среду. Области апвеллинга способствуют развитию рыболовства, фактически почти половина мирового улова рыбы приходится на районы апвеллинга.

Всасывание Экмана происходит как вдоль береговой линии, так и в открытом океане, но встречается и вдоль экватора. Вдоль тихоокеанского побережья Калифорнии, Центральной Америки и Перу, а также вдоль атлантического побережья Африки имеются области апвеллинга вследствие всасывания Экмана по мере движения течений к экватору. Из-за эффекта Кориолиса поверхностные воды перемещаются на 90 ° влево (в южном полушарии, по направлению к экватору) от ветрового течения, в результате чего вода отклоняется от границы побережья, что приводит к всасыванию Экмана. Кроме того, существуют области апвеллинга вследствие всасывания Экмана, где полярные восточные ветры 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. Точно так же из-за эффекта Кориолиса поверхностные воды перемещаются на 90 ° влево (в южном полушарии) от ветровых течений, и поверхностные воды расходятся вдоль этих границ, что приводит к апвеллингу с целью сохранения массы.

экман накачка

Насос Экмана — это компонент транспорта Экмана, который приводит к образованию зон опускания воды из-за схождения воды. Как обсуждалось выше, концепция сохранения массы требует, чтобы скопление поверхностных вод сбрасывалось вниз. Это скопление теплой, бедной питательными веществами поверхностной воды перекачивается вертикально вниз по толще воды, что приводит к нисходящим потокам.

Насос Экмана оказывает огромное воздействие на окружающую среду. Даунвеллинг, вызванный насосами Экмана, приводит к образованию бедных питательными веществами вод, что снижает биологическую продуктивность территории. Кроме того, он переносит тепло и растворенный кислород вертикально вниз по толще воды, поскольку теплая, богатая кислородом поверхностная вода перекачивается в сторону глубоководных вод океана.

Насосы Экмана можно найти как вдоль побережья, так и в открытом океане. Вдоль побережья Тихого океана в Южном полушарии северные ветры движутся параллельно береговой линии. Из-за эффекта Кориолиса поверхностные воды оттягиваются на 90 ° влево от ветрового течения, в результате чего вода сближается вдоль границы побережья, что приводит к откачке Экмана. В открытом океане откачка Экмана происходит с помощью круговоротов. В частности, в субтропиках, между 20° и 50° с.ш., происходит откачка Экмана, поскольку пассаты смещаются к западным, вызывая скопление поверхностных вод.

Математический вывод

Необходимо сделать некоторые предположения о динамике жидкости, участвующей в этом процессе, чтобы упростить процесс до такой степени, что он разрешим. Предположения, сделанные Экманом, заключались в следующем:

• нет границ;
• бесконечно глубокая вода;
• турбулентная вязкость , $A_{z}\,\!$, является постоянным (это верно только для ламинарного течения. В турбулентном пограничном слое атмосферы и океана оно сильно зависит от глубины);
• ветер устойчивый и дует в течение длительного времени;
• баротропные условия без геострофического течения;
• параметр Кориолиса , $f\,\!$ сохраняется постоянным.

Упрощенные уравнения для силы Кориолиса в направлениях x и y следуют из этих предположений:

(1)   ${\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial \tau _{x}}{\partial z}}=-fv,\,$

(2)   ${\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial \tau _{y}}{\partial z}}=fu,\,$

где $\tau \,\!$ ветровое напряжение , $\rho \,\!$ плотность, $u\,\!$ - скорость восток-запад, а $v\,\!$ - скорость север-юг.

Интегрирование каждого уравнения по всему слою Экмана:

$\tau _{x}=-M_{y}f,\,$

$\tau _{y}=M_{x}f,\,$

где

$M_{x}=\int _{0}^{z}\rho udz,\,$

$M_{y}=\int _{0}^{z}\rho vdz.\,$

Здесь $M_{x}\,\!$ и $M_{y}\,\!$ представляют собой зональный и меридиональный массоперенос с единицами массы в единицу времени на единицу длины. Вопреки общепринятой логике, ветры с севера на юг вызывают массовый перенос в направлении восток-запад.

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

${\frac {\partial \tau _{x}}{\partial z}}=\rho A_{z}{\frac {\partial ^{2}u}{\partial z^{2}}},\,\!$

${\frac {\partial \tau _{y}}{\partial z}}=\rho A_{z}{\frac {\partial ^{2}v}{\partial z^{2}}},\,\!$

где $A_{z}\,\!$ – коэффициент вертикальной вихревой вязкости.

Это дает систему дифференциальных уравнений вида

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

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

Для решения этой системы двух дифференциальных уравнений можно применить два граничных условия:

• ${(u,v)\to 0}$ как ${z\to -\infty },$
• трение равно напряжению ветра на свободной поверхности ( $z=0\,\!$).

Ситуация может быть еще более упрощена, если рассматривать ветер, дующий только в направлении y . Это означает, что результаты будут относиться к ветру с севера на юг (хотя эти решения можно получить относительно ветра в любом другом направлении):

(3)  ${\begin{aligned}u_{E}&=\pm V_{0}\cos \left({\frac {\pi }{4}}+{\frac {\pi }{D_{E}}}z\right)\exp \left({\frac {\pi }{D_{E}}}z\right),\\v_{E}&=V_{0}\sin \left({\frac {\pi }{4}}+{\frac {\pi }{D_{E}}}z\right)\exp \left({\frac {\pi }{D_{E}}}z\right),\end{aligned}}$

где

• $u_{E}\,\!$ и $v_{E}\,\!$ представляют транспорт Экмана в направлениях u и v ;
• в уравнении 3 знак плюс относится к северному полушарию, а знак минус – к южному полушарию;
• $V_{0}={\frac {{\sqrt {2}}\pi \tau _{y\eta }}{D_{E}\rho |f|}};\,\!$
• $\tau _{y\eta }\,\!$ – ветровое напряжение на морской поверхности;
• $D_{E}=\pi \left({\frac {2A_{z}}{|f|}}\right)^{1/2}\,\!$ – глубина Экмана (глубина слоя Экмана).

Решив это при z = 0, поверхностное течение оказывается (как и ожидалось) под углом 45 градусов вправо (слева) от ветра в Северном (Южном) полушарии. Это также дает ожидаемую форму спирали Экмана как по величине, так и по направлению. Интегрирование этих уравнений по слою Экмана показывает, что чистый перенос Экмана составляет 90 градусов вправо (слева) от ветра в северном (южном) полушарии.

Приложения

• Транспорт Экмана приводит к прибрежному апвеллингу , который обеспечивает снабжение питательными веществами некоторых крупнейших рыболовных рынков на планете. и может повлиять на стабильность Антарктического ледникового щита , притягивая теплую глубокую воду на континентальный шельф. Ветер в этих режимах дует параллельно побережью (например, вдоль побережья Перу , где ветер дует с юго-востока, а также в Калифорнии , где он дует с северо-запада). Из-за переноса Экмана поверхностные воды имеют чистое движение на 90 ° вправо от направления ветра в северном полушарии (влево в южном полушарии). Поскольку поверхностные воды стекают от берега, воду необходимо заменять водой снизу. На мелководье в прибрежных водах спираль Экмана обычно сформирована не полностью, а ветровые явления, вызывающие эпизоды апвеллинга, обычно довольно кратковременны. Это приводит к множеству вариаций степени апвеллинга, но эти идеи по-прежнему в целом применимы.
• Транспорт Экмана аналогичным образом действует при экваториальном апвеллинге , где в обоих полушариях составляющая пассата, направленная на запад, вызывает чистый перенос воды к полюсу, а составляющая пассата, направленная на восток, вызывает чистый перенос воды от полюса. столб.
• В меньших масштабах циклонические ветры вызывают перенос Экмана, который вызывает общую дивергенцию и апвеллинг, или всасывание Экмана. в то время как антициклонические ветры вызывают конвергенцию сети и нисходящий поток или откачку Экмана
• Транспорт Экмана также является фактором циркуляции океанских круговоротов и мусорных пятен . Транспорт Экмана заставляет воду течь к центру круговорота во всех местах, создавая наклон морской поверхности и инициируя геострофический поток (Коллинг, стр. 65). Харальд Свердруп применил транспорт Экмана, включив в него силы градиента давления, чтобы разработать теорию этого процесса (см. Баланс Свердрупа ).

См. также

• Скорость Экмана - Формула для скорости течения воды, вызванной ветром.

Ссылки

• Коллинг, А., Циркуляция океана , Курсовая группа Открытого университета. Второе издание. 2001. 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. ISBN   978-1-57766-429-1
• Линдстрем, Эрик Дж. «Движение океана: определение: ветровые поверхностные течения - апвеллинг и даунвеллинг». Oceanmotion.org.
• Манн, К.Х. и Лазье Дж.Р., Динамика морских экосистем , издательство Blackwell Publishing. Третье издание. 2006. ISBN   978-1-4051-1118-8
• Миллер, Чарльз Б.; Уиллер, Патрисия А. Биологическая океанография (второе изд.). Уайли-Блэквелл. ISBN   978-1-4443-3302-2 .
• Понд, С. и Пикард, Г.Л., Вводная динамическая океанография , Pergamon Press. Второе издание. 1983. 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.К., Даксбери А.Б., Введение в мировые океаны , McGraw-Hill. Восьмое издание. 2005. ISBN   978-0-07-294555-3

Внешние ссылки

• Что такое транспорт Экмана?