Геострофическое течение

An example of a geostrophic flow in the Northern Hemisphere.

северного полушария Круговорот в геострофическом равновесии . Более светлая вода менее плотна , чем темная вода, но более плотна, чем воздух; направленной под углом 90 градусов Наружный градиент давления уравновешивается силой Кориолиса, . Структура со временем рассеется из-за трения и смешивания свойств воды.

Геострофическое течение — океаническое течение , в котором сила градиента давления уравновешивается эффектом Кориолиса . Направление геострофического потока параллельно изобарам , с высоким давлением справа от потока в Северном полушарии и высоким давлением слева от потока в Южном полушарии . Это понятие знакомо по картам погоды , изобары которых показывают направление геострофических ветров . Геострофическое течение может быть как баротропным , так и бароклинным . Геострофическое течение можно также рассматривать как вращающуюся волну на мелководье с нулевой частотой.

Принцип геострофии или геострофического баланса полезен океанографам, поскольку позволяет им делать выводы об океанских течениях на основе измерений высоты морской поверхности (путем комбинированной спутниковой альтиметрии и гравиметрии ) или на основе вертикальных профилей плотности морской воды, полученных кораблями или автономными буями. Основные течения мирового океана , такие как Гольфстрим , течение Куросио , течение Агульяс и Антарктическое циркумполярное течение , находятся примерно в геострофическом равновесии и являются примерами геострофических течений.

Простое объяснение

Морская вода естественным образом имеет тенденцию перемещаться из области высокого давления (или высокого уровня моря) в область низкого давления (или низкого уровня моря). Сила, толкающая воду в область низкого давления, называется силой градиента давления. В геострофическом потоке вместо движения воды из области высокого давления (или высокого уровня моря) в область низкого давления (или низкого уровня моря) она движется по линиям равного давления ( изобарам ). Это происходит потому, что Земля вращается. Вращение Земли приводит к тому, что вода ощущает «силу», движущуюся от верхнего уровня к нижнему, известную как сила Кориолиса . Сила Кориолиса действует под прямым углом к ​​потоку, и когда она уравновешивает силу градиента давления, возникающий поток называется геострофическим.

Как указано выше, направление потока - высокое давление справа от потока в Северном полушарии и высокое давление слева от потока в Южном полушарии . Направление потока зависит от полушария, поскольку направление силы Кориолиса в разных полушариях противоположно.

Формулировка

Геострофические уравнения представляют собой упрощенную форму уравнений Навье – Стокса во вращающейся системе отсчета. В частности, предполагается, что ускорения нет (стационарное состояние), вязкости нет и давление гидростатическое . В результате получается баланс (Gill, 1982):

$fv={\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial p}{\partial x}}$

$fu=-{\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial p}{\partial y}}$

где $f$ – параметр Кориолиса , $\rho$ плотность, $p$ это давление и $u,v$ это скорости в $x,y$-направления соответственно.

Одним из особых свойств геострофических уравнений является то, что они удовлетворяют стационарной версии уравнения неразрывности. То есть:

${\frac {\partial u}{\partial x}}+{\frac {\partial v}{\partial y}}=0$

Вращающиеся волны нулевой частоты

Уравнения, описывающие линейную вращающуюся волну на мелкой воде:

${\frac {\partial u}{\partial t}}-fv=-{\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial p}{\partial x}}$

${\frac {\partial v}{\partial t}}+fu=-{\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial p}{\partial y}}$

Сделанное выше предположение об устойчивом состоянии (без ускорения):

${\frac {\partial u}{\partial t}}={\frac {\partial v}{\partial t}}=0$

Альтернативно можно предположить волнообразную, периодическую зависимость во времени:

$u\propto v\propto e^{i\omega t}$

В этом случае, если мы установим $\omega =0$, мы вернулись к приведенным выше геострофическим уравнениям. Таким образом, геострофическое течениеможно представить как вращающуюся волну на мелководье с нулевой частотой.

См. также

• Геострофический ветер

Ссылки

• Гилл, Адриан Э. (1982), Динамика атмосферы и океана , Международная серия по геофизике, том. 30, Оксфорд: Академическая пресса, ISBN  0-12-283522-0