Transport Ekmana - Ekman transport

Transport Ekman jest wypadkowym ruchem płynu w wyniku równowagi między Coriolisem a turbulentnymi siłami oporu. Na powyższym zdjęciu wiatr wiejący na północ na półkuli północnej tworzy naprężenie powierzchniowe, a pod nim w kolumnie wody znajduje się spirala Ekmana .

Transport Ekmana jest częścią teorii ruchu Ekmana, którą po raz pierwszy zbadał w 1902 roku Vagn Walfrid Ekman . Wiatry są głównym źródłem energii dla cyrkulacji oceanicznej, a Ekman Transport jest składnikiem prądów oceanicznych napędzanych wiatrem. Transport Ekman występuje, gdy wody powierzchniowe oceanu znajdują się pod wpływem siły tarcia działającej na nie przez wiatr. Gdy wieje wiatr, wywiera on na powierzchnię oceanu siłę tarcia, która ciągnie za sobą górne 10-100 m słupa wody. Jednak pod wpływem efektu Coriolisa woda oceaniczna porusza się pod kątem 90° od kierunku wiatru powierzchniowego. Kierunek transportu jest zależny od półkuli: na półkuli północnej transport odbywa się pod kątem 90° zgodnie z kierunkiem wiatru, natomiast na półkuli południowej pod kątem 90° w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Zjawisko to po raz pierwszy zauważył Fridtjof Nansen , który odnotował, że transport lodu wydawał się odbywać pod kątem do kierunku wiatru podczas jego wyprawy arktycznej w latach 90. XIX wieku. Transport Ekman ma znaczący wpływ na właściwości biogeochemiczne oceanów na świecie. Dzieje się tak, ponieważ prowadzi to do upwellingu (ssanie Ekmana) i downwellingu (pompowanie Ekmana) w celu przestrzegania praw zachowania masy. Ochrona masowa, w odniesieniu do transferu Ekman, wymaga uzupełnienia wody przemieszczonej na danym obszarze. Można to zrobić za pomocą ssania Ekman lub pompowania Ekman w zależności od wzorców wiatru.

Teoria

Teoria Ekmana wyjaśnia teoretyczny stan cyrkulacji, gdyby prądy wody były napędzane tylko przez przeniesienie pędu z wiatru. W świecie fizycznym jest to trudne do zaobserwowania ze względu na wpływ wielu równoczesnych sił napędowych prądu (na przykład gradientów ciśnienia i gęstości ). Chociaż poniższa teoria technicznie odnosi się do wyidealizowanej sytuacji obejmującej tylko siły wiatru, ruch Ekmana opisuje napędzaną wiatrem część cyrkulacji widzianą w warstwie powierzchniowej.

Prądy powierzchniowe płyną pod kątem 45° do wiatru dzięki równowadze między siłą Coriolisa a oporami generowanymi przez wiatr i wodę. Jeśli ocean jest podzielony pionowo na cienkie warstwy, wielkość prędkości (prędkości) zmniejsza się od maksimum na powierzchni, aż do rozproszenia. Kierunek zmienia się również nieznacznie w każdej kolejnej warstwie (w prawo na półkuli północnej i w lewo na półkuli południowej). Nazywa się to spiralą Ekmana . Warstwa wody od powierzchni do punktu rozproszenia tej spirali jest znana jako warstwa Ekmana . Jeśli cały przepływ przez warstwę Ekmana jest zintegrowany, transport sieci odbywa się pod kątem 90° na prawo (lewo) od wiatru powierzchniowego na półkuli północnej (południowej).

Mechanizmy

Istnieją trzy główne wzorce wiatru, które prowadzą do ssania lub pompowania Ekmana. Pierwszym z nich są wzory wiatru równoległe do linii brzegowej. Ze względu na efekt Coriolisa woda powierzchniowa porusza się pod kątem 90° do prądu wiatru. Jeśli wiatr porusza się w kierunku, w którym woda jest odciągana od brzegu, wówczas nastąpi ssanie Ekmana. Z drugiej strony, jeśli wiatr porusza się w taki sposób, że wody powierzchniowe przesuwają się w kierunku linii brzegowej, wówczas nastąpi przepompowanie Ekman.

Drugim mechanizmem prądów wiatrowych powodującym transfer Ekmana są wiatry pasatowe zarówno na północ, jak i południe od równika, ciągnące wody powierzchniowe w kierunku biegunów. Na równiku występuje silne ssanie Ekman w górę, ponieważ woda jest ciągnięta na północ od równika i na południe od równika. Prowadzi to do rozbieżności w wodzie, powodując ssanie Ekmana, a tym samym upwelling.

Trzecią charakterystyką wiatru wpływającą na transfer Ekmana są wzorce wiatru na dużą skalę na otwartym oceanie. Cyrkulacja wiatru na otwartym oceanie może prowadzić do wirujących struktur spiętrzonych wód powierzchniowych morza, co skutkuje poziomymi gradientami wysokości powierzchni morza. To spiętrzenie wody powoduje, że woda ma spływanie i zasysanie w dół, ze względu na grawitację i koncepcję bilansu masy. Konsekwencją tej konwergencji wody jest pompowanie Ekmana w dół oceanu środkowego.

ssanie Ekmana

Ekman Suction jest elementem transportu Ekman, który powoduje powstawanie obszarów upwellingu z powodu rozbieżności wody. Wracając do koncepcji masowej ochrony, wszelkie wody wyparte transportem Ekman muszą zostać uzupełnione. Gdy woda rozchodzi się, tworzy przestrzeń i działa jak ssanie, aby wypełnić przestrzeń poprzez wciąganie lub wypychanie wody głębinowej do strefy eufotycznej.

Ssanie Ekmana ma poważne konsekwencje dla procesów biogeochemicznych na tym obszarze, ponieważ prowadzi do upwellingu. Upwelling przenosi bogatą w składniki odżywcze i zimną wodę głębinową do strefy eufotycznej, promując kwitnienie fitoplanktonu i uruchamiając niezwykle wydajne środowisko. Obszary upwellingu prowadzą do promocji rybołówstwa, w rzeczywistości prawie połowa światowych połowów ryb pochodzi z obszarów upwellingu.

Ssanie Ekmana występuje zarówno wzdłuż linii brzegowych, jak i na otwartym oceanie, ale występuje również wzdłuż równika. Wzdłuż wybrzeża Pacyfiku w Kalifornii, Ameryce Środkowej i Peru, a także wzdłuż wybrzeża Atlantyku w Afryce występują obszary upwellingu spowodowane ssaniem Ekmana, gdy prądy przesuwają się w kierunku równika. Ze względu na efekt Coriolisa woda powierzchniowa przesuwa się o 90 ° w lewo (na półkuli południowej, gdy porusza się w kierunku równika) od prądu wiatru, powodując tym samym rozbieżność wody od granicy wybrzeża, co prowadzi do ssania Ekmana. Ponadto istnieją obszary upwellingu w wyniku ssania Ekmana, gdzie wiatry polarno-wschodnie spotykają się z wiatrami zachodnimi w regionach subpolarnych na północ od subtropików, a także gdzie północno-wschodnie wiatry pasatowe spotykają się z południowo-wschodnimi wiatrami pasatowymi wzdłuż równika. Podobnie, ze względu na efekt Coriolisa, woda powierzchniowa przesuwa się o 90° na lewo (na półkuli południowej) od prądów wiatru, a woda powierzchniowa rozchodzi się wzdłuż tych granic, powodując upwelling w celu zachowania masy.

Ekman pompuje

Ekman Pumping jest elementem transportu Ekman, który powoduje obszary zapadania się wody ze względu na zbieżność wody. Jak omówiono powyżej, koncepcja ochrony masowej wymaga, aby spiętrzenie wód powierzchniowych zostało zepchnięte w dół. Ten stos ciepłej, ubogiej w składniki odżywcze wody powierzchniowej jest pompowany pionowo w dół słupa wody, co powoduje powstawanie obszarów zalegania.

Pompowanie Ekman ma dramatyczny wpływ na otaczające środowisko. Downwelling, spowodowany pompowaniem Ekman, prowadzi do wód ubogich w składniki odżywcze, zmniejszając w ten sposób biologiczną produktywność obszaru. Dodatkowo transportuje ciepło i rozpuszczony tlen pionowo w dół słupa wody, gdy ciepła, bogata w tlen woda powierzchniowa jest pompowana w kierunku wód głębinowych.

Pompy Ekman można znaleźć zarówno wzdłuż wybrzeży, jak i na otwartym oceanie. Wzdłuż wybrzeża Pacyfiku na półkuli południowej wiatry północne poruszają się równolegle do linii brzegowej. Ze względu na efekt Coriolisa woda powierzchniowa jest ciągnięta pod kątem 90 ° w lewo od prądu wiatru, powodując tym samym zbieganie się wody wzdłuż granicy wybrzeża, co prowadzi do pompowania Ekmana. Na otwartym oceanie pompowanie Ekmana odbywa się za pomocą wirów. W szczególności w subtropikach, między 20°N a 50°N, Ekman pompuje, gdy pasaty przesuwają się w kierunku zachodnim, powodując nagromadzenie wód powierzchniowych.

Wyprowadzenie matematyczne

Aby uprościć proces do punktu, w którym można go rozwiązać, należy przyjąć pewne założenia dynamiki płynów biorących udział w procesie. Założenia poczynione przez Ekmana były następujące:

• żadnych granic;
• nieskończenie głęboka woda;
• lepkość wirów , , jest stała (dotyczy to tylko przepływu laminarnego. W turbulentnej atmosferycznej i oceanicznej warstwie granicznej jest to silna funkcja głębokości);${\displaystyle A_{z}\\!}$
• wiatr jest stabilny i wieje od dłuższego czasu;
• warunki barotropowe bez przepływu geostroficznego;
• parametr Coriolisa , jest utrzymywana na stałym poziomie.${\displaystyle f\,\!}$

Z tych założeń wynikają uproszczone równania siły Coriolisa w kierunkach x i y :

(1)  ${\ Displaystyle {\ Frac {1} {\ rho}} {\ Frac {\ częściowy \ tau _ {x}} {\ częściowy z}} = - FV, \,}$

(2)  ${\ Displaystyle {\ Frac {1} {\ rho}} {\ Frac {\ częściowy \ tau _ {y}} {\ częściowy z}} = fu \,}$

gdzie to naprężenie wiatru , to gęstość, to prędkość wschód-zachód i to prędkość północ-południe. ${\ Displaystyle \ tau \, \!}$${\ Displaystyle \ rho \, \!}$${\displaystyle u\,\!}$${\displaystyle v\,\!}$

Całkowanie każdego równania na całej warstwie Ekmana:

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

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

gdzie

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

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

Tutaj i reprezentuj strefowe i południkowe warunki transportu masy z jednostkami masy na jednostkę czasu na jednostkę długości. Wbrew powszechnej logice wiatry północ-południe powodują masowy transport w kierunku wschód-zachód. ${\displaystyle M_{x}\,\!}$${\displaystyle M_{y}\\!}$

Aby zrozumieć strukturę prędkości pionowej słupa wody, równania 1 i 2 można przepisać w kategoriach lepkości wirowej pionowej.

${\ Displaystyle {\ Frac {\ częściowy \ tau _ {x}} {\ częściowy z}} = \ rho A_ {z} {\ Frac {\ częściowy ^ {2} u} {\ częściowy z ^ {2}} },\,\!}$

${\ Displaystyle {\ Frac {\ częściowy \ tau _ {y}} {\ częściowy Z}} = \ rho A_ {z} {\ Frac {\ częściowy ^ {2} v} {\ częściowy Z ^ {2}} },\,\!}$

gdzie jest współczynnik lepkości pionowego wiru. ${\displaystyle A_{z}\\!}$

Daje to zestaw równań różniczkowych postaci

${\ Displaystyle A_ {z} {\ Frac {\ częściowy ^ {2} u} {\ częściowy z ^ {2}}} = -fv, \ \!}$

${\ Displaystyle A_ {z} {\ Frac {\ częściowy ^ {2} v} {\ częściowy z ^ {2}}} = fu. \ \!}$

Aby rozwiązać ten układ dwóch równań różniczkowych, można zastosować dwa warunki brzegowe:

• ${\ Displaystyle {(u, v) \ do 0}}$ jak ${\displaystyle {z\do -\infty},}$
• tarcie jest równe naprężeniu wiatru na swobodnej powierzchni ( ).${\displaystyle z=0\,\!}$

Sprawę można jeszcze bardziej uprościć, biorąc pod uwagę wiatr wiejący tylko w kierunku y . Oznacza to, że wyniki będą odnosić się do wiatru z północy na południe (chociaż te rozwiązania mogą być tworzone w odniesieniu do wiatru z dowolnego innego kierunku):

(3) ${\ Displaystyle {\ zacząć {wyrównany} u_ {E} i = \ pm V_ {0} \ cos \ lewo ({\ Frac {\ pi} {4}} + {\ Frac {\ pi} {D_ {E} }}z\right)\exp \left({\frac {\pi }{D_{E}}}z\right),\\v_{E}&=V_{0}\sin \left({\frac {\pi }{4}}+{\frac {\pi }{D_{E}}}z\right)\exp \left({\frac {\pi }{D_{E}}}z\right) ,\koniec{wyrównany}}}$

gdzie

• ${\displaystyle u_{E}\,\!}$i reprezentują transport Ekman w kierunku u i v ;${\displaystyle v_{E}\,\!}$
• w równaniu 3 znak plus odnosi się do półkuli północnej, a znak minus do półkuli południowej;
• ${\ Displaystyle V_ {0}= {\ Frac {{\ sqrt {2}} \ pi \ tau _ {y \ eta}} {D_ {E} \ rho | f |}}; \ \!}$
• ${\ Displaystyle \ tau _ {y \ eta} \ \!}$ napór wiatru na powierzchnię morza;
• ${\ Displaystyle D_ {E} = \ pi \ lewo ({\ Frac {2A_ {Z}} {| F |}} \ prawej) ^ {1/2} \ \!}$ to głębokość Ekmana (głębokość warstwy Ekmana).

Rozwiązując to przy z =0, okazuje się, że prąd powierzchniowy jest (zgodnie z oczekiwaniami) 45 stopni na prawo (lewo) od wiatru na półkuli północnej (południowej). Daje to również oczekiwany kształt spirali Ekmana, zarówno pod względem wielkości, jak i kierunku. Całkowanie tych równań na warstwie Ekmana pokazuje, że człon transportu netto Ekmana wynosi 90 stopni na prawo (lewo) od wiatru na półkuli północnej (południowej).

Aplikacje

• Transport Ekman prowadzi do upwellingu przybrzeżnego , który zapewnia zaopatrzenie w składniki odżywcze dla niektórych z największych rynków rybackich na świecie i może wpływać na stabilność pokrywy lodowej Antarktyki poprzez wciąganie ciepłej, głębokiej wody na szelf kontynentalny. Wiatr w tych reżimach wieje równolegle do wybrzeża (np. wzdłuż wybrzeża Peru , gdzie wieje z południowego wschodu, a także w Kalifornii , gdzie wieje z północnego zachodu). Z transportu Ekmana woda powierzchniowa ma ruch netto o 90° na prawo od kierunku wiatru na półkuli północnej (po lewej na półkuli południowej). Ponieważ wody powierzchniowe spływają z wybrzeża, wodę trzeba zastąpić wodą z dołu. W płytkich wodach przybrzeżnych spirala Ekmana zwykle nie jest w pełni ukształtowana, a zjawiska wiatru, które powodują epizody upwellingu, są zazwyczaj raczej krótkie. Prowadzi to do wielu różnic w zakresie upwellingu, ale idee nadal mają ogólne zastosowanie.
• Transport Ekman Podobnie jest w pracy w równikowej upwelling , gdzie w obu półkulach, A pasat komponent w kierunku zachodnim powoduje netto transport wody w kierunku bieguna, a komponent pasat kierunku wschodnim powoduje netto transport wody z dala od Polak.
• W mniejszej skali wiatry cykloniczne wywołują transport Ekmana, który powoduje rozbieżność netto i upwelling lub ssanie Ekmana, podczas gdy wiatry antycykloniczne powodują zbieżność netto i downwelling lub pompowanie Ekmana
• Transport Ekman jest również czynnikiem w krążeniu wirów oceanicznych i plam śmieci . Transport Ekmana powoduje przepływ wody w kierunku środka wiru we wszystkich lokalizacjach, tworząc nachyloną powierzchnię morza i inicjując przepływ geostroficzny (Colling s. 65). Harald Sverdrup zastosował transport Ekman, jednocześnie uwzględniając siły gradientu ciśnienia, aby opracować teorię tego (patrz równowaga Sverdrup ).

Zobacz też

• Prędkość Ekmana  – część całkowitej prędkości poziomej indukowanej przez wiatr w górnej warstwie wody otwartego oceanu, tak że siła Coriolisa jest równoważona siłą wiatru

Uwagi

Bibliografia

• Colling, A., Ocean Circulation , Open University Course Team. Druga edycja. 2001. ISBN  978-0-7506-5278-0
• Emerson, Steven R.; Żywopłoty, Jan I. (2017). Oceanografia chemiczna i morski obieg węgla . Nowy Jork, Stany Zjednoczone Ameryki: Cambridge University Press. ISBN  978-0-521-83313-4 .
• Knauss, JA, Wprowadzenie do oceanografii fizycznej , Waveland Press. Druga edycja. 2005. ISBN  978-1-57766-429-1
• Lindstrom, Eric J. "Ruch oceanu: definicja: napędzane wiatrem prądy powierzchniowe - upwelling i downwelling". oceanmotion.org.
• Mann, KH i Lazier JR, Dynamika ekosystemów morskich , Blackwell Publishing. Trzecia edycja. 2006. ISBN  978-1-4051-1118-8
• Miller, Karol B.; Wheeler, Patricia A. Oceanografia biologiczna (wyd. drugie). Wileya-Blackwella. ISBN  978-1-4443-3302-2 .
• Pond, S. i Pickard, GL, Wstępna oceanografia dynamiczna , Pergamon Press. Druga edycja. 1983. ISBN  978-0-08-028728-7
• Sarmiento, Jorge L.; Gruber, Mikołaj (2006). Dynamika biogeochemiczna oceanów . Wydawnictwo Uniwersytetu Princeton. ISBN  978-0-691-01707-5 .
• Sverdrup, KA, Duxbury, AC, Duxbury, AB, Wprowadzenie do oceanów świata , McGraw-Hill. Wydanie ósme. 2005. ISBN  978-0-07-294555-3

Zewnętrzne linki

• Co to jest transport Ekman?