Ekman transporti - Ekman transport

Ekman transporti - bu muvozanat natijasida suyuqlikning aniq harakati Coriolis va turbulent tortish kuchlari. Yuqoridagi rasmda shimoliy yarim sharda shimolni esayotgan shamol sirtdagi stressni va natijada hosil qiladi Ekman spirali uning ostida joylashgan suv ustuni.

Ekman transporti birinchi marta 1902 yilda o'rganilgan Ekman harakat nazariyasining bir qismidir Vagn Uolfrid Ekman. Shamollar okean aylanishi uchun asosiy energiya manbai bo'lib, Ekman Transport esa pushti yo'naltirilgan okean oqimining tarkibiy qismidir.^[1] Ekman transporti okean sathidagi suvlarga shamol orqali ta'sir etuvchi ishqalanish kuchi ta'sirida sodir bo'ladi. Shamol esayotganda u okean sathiga ishqalanish kuchini keltirib chiqaradi, u suv sathining yuqori 10-100 metrini o'zi bilan tortib oladi.^[2] Biroq, ta'siri tufayli Coriolis ta'siri, okean suvi er usti shamol yo'nalishidan 90 ° burchak ostida harakat qiladi.^[2] Tashish yo'nalishi yarim sharga bog'liq: ichida shimoliy yarim shar, transport shamol yo'nalishi bo'yicha soat yo'nalishi bo'yicha 90 ° da sodir bo'ladi janubiy yarim shar u soat sohasi farqli o'laroq 90 ° da sodir bo'ladi.^[3] Ushbu hodisa birinchi marta qayd etilgan Fridtof Nansen, muzlik transporti uning paytida shamol yo'nalishiga nisbatan burchak ostida sodir bo'lganligini yozgan Arktika ekspeditsiyasi 1890 yillar davomida.^[4] Ekman transporti dunyo okeanining biogeokimyoviy xususiyatlariga katta ta'sir ko'rsatadi. Buning sababi ular ko'tarilish (Ekman assimilyatsiya) va pastga tushish (Ekman nasos) ommaviy saqlash qonunlariga bo'ysunish uchun. Ekman transferiga nisbatan ommaviy konservatsiya, hudud ichkarisida joylashgan barcha suvlarni to'ldirishni talab qiladi. Buni shamol naqshlariga qarab Ekman assimilyatsiya yoki Ekman nasoslari yordamida amalga oshirish mumkin.^[1]

Nazariya

Ekman nazariyasi aylanish oqimining nazariy holatini suv oqimlari faqat shamoldan impulsning uzatilishi bilan boshqarilsa tushuntiradi. Jismoniy dunyoda buni ko'pchilik bir vaqtning o'zida ta'sir qilishi sababli kuzatish qiyin joriy harakatlantiruvchi kuchlar (masalan, bosim va zichlik gradyanlari ). Quyidagi nazariya texnik jihatdan faqat shamol kuchlarini o'z ichiga olgan idealizatsiya qilingan vaziyatga taalluqli bo'lsa-da, Ekman harakati sirt qatlamida ko'rinadigan aylanishning shamol tomonidan boshqariladigan qismini tavsiflaydi.^[5][6]

Koriolis kuchi va bilan muvozanat tufayli sirt oqimlari shamolga nisbatan 45 ° burchak ostida oqadi sudrab boradi shamol va suv tomonidan hosil qilingan.^[7] Agar okean vertikal ravishda ingichka qatlamlarga bo'linadigan bo'lsa, tezlik kattaligi (tezlik) sirtdagi maksimaldan u tarqalguncha kamayadi. Yo'nalish har bir keyingi qatlam bo'ylab biroz siljiydi (shimoliy yarim sharda va janubiy yarim sharda chap). Bunga Ekman spirali.^[8] Suv sathidan ushbu spiralning tarqalish nuqtasigacha bo'lgan qatlami Ekman qatlami. Agar Ekman qatlami bo'ylab barcha oqimlar birlashtirilgan bo'lsa, aniq transport shimoliy (janubiy) yarim sharda sirt shamolidan o'ngga (chapga) 90 ° gacha.^[3]

Mexanizmlar

Ekmanni tortib olish yoki pompalamoqqa olib keladigan uchta asosiy shamol naqshlari mavjud. Birinchisi, qirg'oq chizig'iga parallel bo'lgan shamol naqshlari.^[1] Tufayli Coriolis ta'siri, er usti suvlari shamol oqimiga nisbatan 90 ° burchak ostida harakat qiladi. Agar shamol suvni qirg'oqdan tortib olishga olib keladigan yo'nalishda harakatlansa, unda Ekman emdirish sodir bo'ladi.^[1] Boshqa tomondan, agar shamol er usti suvlari qirg'oq tomon harakatlanadigan darajada harakatlansa, u holda Ekman nasoslari amalga oshiriladi.^[1]

Ekmanning uzatilishiga olib keladigan shamol oqimlarining ikkinchi mexanizmi bu Savdo shamollari ekvatorning shimoliy va janubiy qismida er usti suvlarini qutblar tomon tortmoqda.^[1] Ekvatorda juda ko'p ko'tarilgan Ekman emdirish mavjud, chunki suv ekvatordan shimolga va ekvatordan janubga janubga tortilmoqda. Bu suvda ajralib chiqishga olib keladi, natijada Ekman so'riladi va shuning uchun ko'tariladi.^[9]

Ekman ko'chirilishiga ta'sir qiluvchi uchinchi shamol naqshlari - ochiq okeandagi keng ko'lamli shamol naqshlari.^[1] Ochiq okean shamoli aylanmasi dengiz suvlari to'plangan gyrga o'xshash tuzilmalarga olib kelishi mumkin, natijada dengiz sathidan balandlikning gorizontal gradiyentlari paydo bo'ladi.^[1] Bu suv yig'ilishi, tortishish kuchi va massa muvozanati tushunchasi tufayli suvning pastga qarab oqishi va so'rilishini keltirib chiqaradi. Ekman suvi markaziy okeanda pastga qarab quyilishi bu suvning yaqinlashuvi natijasidir.^[1]

Ekman assimilyatsiya

Ekman Suction - bu suvning xilma-xilligi tufayli ko'tarilish sohalariga olib keladigan Ekman transportining tarkibiy qismi.^[9] Ommaviy saqlash kontseptsiyasiga qaytsak, Ekman transportida ko'chirilgan har qanday suvni to'ldirish kerak. Suv ajralib chiqqach, u bo'shliqni yaratadi va chuqur dengiz suvini evfotik zonaga tortib yoki ko'tarib to'ldirish uchun so'rg'ich vazifasini bajaradi.^[9]

Ekmanni emdirish mintaqadagi biogeokimyoviy jarayonlar uchun katta oqibatlarga olib keladi, chunki bu ko'tarilishga olib keladi. Upwelling, ozuqa moddalariga boy va sovuq dengiz suvini evfotik zonaga olib boradi, fitoplanktonning gullab-yashnashiga yordam beradi va juda yuqori mahsuldor muhitni boshlaydi.^[10] Balandlikni oshirish sohalari baliqchilikni rivojlantirishga olib keladi, aslida dunyodagi baliq ovining qariyb yarmi baliqchilik sohalariga to'g'ri keladi.^[11]

Ekman so'rilishi qirg'oq bo'ylarida ham, ochiq okeanda ham sodir bo'ladi, lekin ekvator bo'ylab ham sodir bo'ladi. Kaliforniya, Markaziy Amerika va Peru Tinch okeanining qirg'oqlari bo'ylab, shuningdek Afrikaning Atlantika qirg'oqlari bo'ylab Ekman so'rilishi tufayli ko'tarilish joylari mavjud, chunki oqimlar ekvator tomon harakatlanmoqda.^[1] Koriolis effekti tufayli er usti suvlari shamol oqimidan 90 ° chapga (Janubiy yarim sharda, u ekvator tomon o'tayotganda) siljiydi, shu sababli suv qirg'oq chegarasidan ajralib, Ekmanning so'rilishiga olib keladi. Bundan tashqari, Ekmanni tortib olish natijasida ko'tarilish joylari mavjud, bu erda Polar Pasxa shamollari g'arbiy qismlarni subtropiklardan shimolda joylashgan qutb mintaqalarida, shuningdek shimoli-sharqiy savdo shamollari Ekvator bo'ylab janubi-sharqiy savdo shamollari bilan to'qnashgan.^[1] Xuddi shunday, Koriolis ta'siri tufayli er usti suvlari shamol oqimlaridan 90 ° chapga (Janubiy yarim sharda) siljiydi va er usti suvlari shu chegaralar bo'ylab ajralib chiqadi va natijada massani tejash maqsadida ko'tarilish yuzaga keladi.

Ekman nasosi

Ekman nasoslari - bu suvning yaqinlashishi natijasida quyi qatlamlarga olib keladigan Ekman transportining tarkibiy qismi.^[9] Yuqorida muhokama qilinganidek, massani tejash kontseptsiyasi er usti suvlari to'pini pastga siljitishni talab qiladi. Ushbu iliq, ozuqaviy moddalarga muhtoj bo'lgan er usti suvlari suv ustunidan pastga vertikal ravishda quyiladi va natijada pastga tushadigan joylar paydo bo'ladi.^[1]

Ekman nasoslari atrof-muhitga katta ta'sir ko'rsatadi. Ekman nasosidan kelib chiqqan holda pastga tushish ozuqaviy moddalarning kambag'al suvlariga olib keladi, shuning uchun hududning biologik mahsuldorligini pasaytiradi.^[11] Bunga qo'shimcha ravishda, u issiqlik va erigan kislorodni vertikal ravishda suv ustunidan pastga tashiydi, chunki iliq kislorodli er usti suvlari chuqur okean suviga quyilmoqda.^[11]

Ekman nasosini qirg'oqlarda ham, ochiq okeanda ham topish mumkin. Janubiy yarim sharda Tinch okean sohillari bo'ylab shimoliy shamollar qirg'oq chizig'iga parallel ravishda harakatlanadi.^[1] Koriolis ta'siri tufayli er usti suvlari shamol oqimidan 90 ° o'ng tomonga tortiladi va shu sababli suv qirg'oq chegarasi bo'ylab birlashib, Ekman nasosiga olib keladi. Ekman ochiq okeanida nasos nasoslari gyrlar bilan sodir bo'ladi.^[1] Xususan, 20 ° N dan 50 ° N gacha bo'lgan subtropiklarda Ekman nasoslari mavjud, chunki savdo shamollari g'arbiy tomonlarga o'tib, er usti suvlarining to'planishiga olib keladi.^[1]

Matematik hosila

Jarayonni soddalashtirish uchun jarayonda ishtirok etadigan suyuqlik dinamikasining ba'zi taxminlarini echilishi mumkin bo'lgan darajaga etkazish kerak. Ekman tomonidan qilingan taxminlar:^[12]

• chegara yo'q;
• cheksiz chuqur suv;
• qotishqoqlik, ${displaystyle A_ {z} ,!}$, doimiy (bu faqat laminar oqimga tegishli. Turbulent atmosfera va okean chegara qatlamida bu chuqurlikning kuchli funktsiyasi);
• shamolni majburlash barqaror va uzoq vaqt davomida esib turdi;
• barotropik geostrofik oqimsiz sharoitlar;
• The Coriolis parametri, ${displaystyle f ,!}$ doimiy ravishda saqlanadi.

Coriolis kuchining soddalashtirilgan tenglamalari x va y ko'rsatmalar ushbu taxminlardan kelib chiqadi:

(1)  ${displaystyle {frac {1} {ho}} {frac {qisman au _ {x}} {qisman z}} = - fv ,,}$

(2)  ${displaystyle {frac {1} {ho}} {frac {qisman au _ {y}} {qisman z}} = fu ,,}$

qayerda ${displaystyle au,!}$ bu shamol stressi, ${displaystyle ho,!}$ zichlik, ${displaystyle u ,!}$ sharqiy-g'arbiy tezlik va ${displaystyle v ,!}$ shimoliy-janubiy tezligi.

Har bir tenglamani butun Ekman qatlami bo'yicha birlashtirish:

${displaystyle au _ {x} = - M_ {y} f ,,}$

${displaystyle au _ {y} = M_ {x} f ,,}$

qayerda

${displaystyle M_ {x} = int _ {0} ^ {z} ho udz ,,}$

${displaystyle M_ {y} = int _ {0} ^ {z} ho vdz.,}$

Bu yerda ${displaystyle M_ {x} ,!}$ va ${displaystyle M_ {y} ,!}$ massa birligi uzunligiga birlik birligi bilan massa birliklari bilan zonali va meridional ommaviy transport shartlarini ifodalaydi. Oddiy mantiqqa zid ravishda shimoliy-janubiy shamollar sharqiy-g'arbiy yo'nalishda ommaviy transportni keltirib chiqaradi.^[13]

Suv ustunining vertikal tezlik tuzilishini tushunish uchun tenglamalar 1 va 2 vertikal qotishqoqlik muddati bo'yicha qayta yozilishi mumkin.

${displaystyle {frac {kısmi au _ {x}} {qisman z}} = ho A_ {z} {frac {qisman ^ {2} u} {qisman z ^ {2}}} ,,!}$

${displaystyle {frac {kısmi au _ {y}} {qisman z}} = ho A_ {z} {frac {qisman ^ {2} v} {qisman z ^ {2}}} ,,!}$

qayerda ${displaystyle A_ {z} ,!}$ vertikal qotishqoqlik koeffitsienti.

Bu shaklning differentsial tenglamalari to'plamini beradi

${displaystyle A_ {z} {frac {kısmi ^ {2} u} {qisman z ^ {2}}} = - fv ,,!}$

${displaystyle A_ {z} {frac {kısmi ^ {2} v} {qisman z ^ {2}}} = fu.,!}$

Ushbu ikkita differentsial tenglama tizimini echish uchun ikkita chegara shartini qo'llash mumkin:

• ${displaystyle {(u, v) o 0}}$ kabi ${displaystyle {z o -infty},}$
• ishqalanish erkin sirtdagi shamol kuchlanishiga teng (${displaystyle z = 0 ,!}$).

Shamol esayotganini hisobga olib, narsalarni yanada soddalashtirish mumkin y- faqat yo'nalish. Bu shuni anglatadiki, natijalar shimoliy-janubiy shamolga nisbatan bo'ladi (garchi bu eritmalar boshqa yo'nalishdagi shamolga nisbatan ishlab chiqarilishi mumkin bo'lsa ham):^[14]

(3) ${displaystyle {egin {aligned} u_ {E} & = pm V_ {0} cos left ({frac {pi} {4}} + {frac {pi} {D_ {E}}} zight) exp left ({frac {pi} {D_ {E}}} zight), v_ {E} & = V_ {0} sin qoldi ({frac {pi} {4}} + {frac {pi} {D_ {E}}} zight ) chapga chap ({frac {pi} {D_ {E}}} zight), oxiri {hizalanmış}}}$

qayerda

• ${displaystyle u_ {E} ,!}$ va ${displaystyle v_ {E} ,!}$ Ekman transportini vakili siz va v yo'nalish;
• tenglamada 3 ortiqcha belgisi shimoliy yarim sharga va minus belgisi janubiy yarim sharga taalluqlidir;
• ${displaystyle V_ {0} = {frac {{sqrt {2}} pi au _ {yeta}} {D_ {E} ho | f |}};,!}$
• ${displaystyle au _ {yeta} ,!}$ dengiz sathidagi shamol stressidir;
• ${displaystyle D_ {E} = pi chap ({frac {2A_ {z}} {| f |}} ight) ^ {1/2} ,!}$ Ekman chuqurligi (Ekman qatlamining chuqurligi).

Buni hal qilish orqali z= 0, sirt oqimi (kutilganidek) Shimoliy (Janubiy) yarim sharda shamoldan o'ngga (chapga) 45 daraja ekanligi aniqlandi. Bu shuningdek Ekman spiralining kattaligi va yo'nalishi bo'yicha kutilgan shaklini beradi.^[14] Ushbu tenglamalarni Ekman qatlami bo'yicha birlashtirish shuni ko'rsatadiki, aniq Ekman transport muddati Shimoliy (Janubiy) yarim sharda shamoldan o'ngga (chapga) 90 daraja.

Ilovalar

• Ekman transporti olib boradi qirg'oq bo'ylab ko'tarilish sayyoramizdagi eng yirik baliq ovlash bozorlarini ozuqaviy moddalar bilan ta'minlashni ta'minlaydi^[15] va barqarorligiga ta'sir qilishi mumkin Antarktika muz qatlami qit'a tokchasiga iliq chuqur suv tortib.^[16][17] Ushbu rejimlarda shamol sohilga parallel ravishda (masalan, qirg'oq bo'ylab) esadi Peru, shamol janubi-sharqdan esadigan joyda, shuningdek Kaliforniya, u shimoli-g'arbiy tomondan uchib ketadigan joyda). Ekman transportidan er usti suvlari shimoliy yarim sharda (janubiy yarim sharda chapda) shamol yo'nalishidan o'ngga 90 ° aniq harakatga ega. Er usti suvlari qirg'oqdan uzoqlashib ketganligi sababli, suvni pastdan suv bilan almashtirish kerak.^[18] Sayoz qirg'oq suvlarida Ekman spirali odatda to'liq shakllanmagan va ko'tarilish epizodlarini keltirib chiqaradigan shamol hodisalari odatda juda qisqa. Bu ko'tarilish darajasining ko'pgina farqlanishlariga olib keladi, ammo g'oyalar umuman qo'llanilishi mumkin.^[19]
• Ekman transporti ham xuddi shunday ishlaydi ekvatorial ko'tarilish, qaerda, ikkala yarim sharda ham, a savdo shamol G'arbga qarab komponent suvning qutb tomon aniq transportini, sharq tomon esa shamol shamol komponentini qutbdan uzoqroq masofada olib o'tishni keltirib chiqaradi.^[15]
• Kichikroq tarozilarda siklonik shamollar Ekman transportini keltirib chiqaradi, bu esa aniq farqlanish va ko'tarilishni keltirib chiqaradi yoki Ekmanni emdiradi,^[15] esa siklonik shamollar aniq konvergentsiya va pasayishni yoki Ekman nasosini keltirib chiqaradi^[20]
• Ekman transporti ham muomaladagi omil hisoblanadi okean girlari. Ekman transporti suvning gir markaziga barcha joylarda oqishini keltirib, dengiz sathini qiyalik hosil qiladi va boshlaydi. geostrofik oqim (Colling p 65). Xarald Sverdrup Buning uchun nazariyani ishlab chiqish uchun bosim gradyan kuchlarini qo'shganda Ekman transportini qo'lladilar (qarang Sverdrup balansi ).^[20] Qarang: Axlatni yamoq

Shuningdek qarang

• Ekman tezligi - Koriolis kuchi shamol kuchi bilan muvozanatlashadigan ochiq okean suvining yuqori qatlamidagi umumiy gorizontal tezlikning shamol tomonidan induktsiya qilingan qismi.

Izohlar

Adabiyotlar

• Colling, A., Okean aylanishi, Ochiq universitet kurslari jamoasi. Ikkinchi nashr. 2001 yil. ISBN  978-0-7506-5278-0
• Emerson, Stiven R.; Hedges, Jon I. (2017). Kimyoviy okeanografiya va dengiz uglerod tsikli. Nyu-York, Amerika Qo'shma Shtatlari: Kembrij universiteti matbuoti. ISBN  978-0-521-83313-4.
• Knauss, JA, Jismoniy okeanografiyaga kirish, Waveland Press. Ikkinchi nashr. 2005 yil. ISBN  978-1-57766-429-1
• Lindstrom, Erik J. "Okean harakati: Ta'rif: Shamol tomonidan boshqariladigan sirt oqimlari - ko'tarilish va pasayish". oceanmotion.org.
• Mann, K.H. va Lazier J.R., Dengiz ekotizimlarining dinamikasi, Blackwell Publishing. Uchinchi nashr. 2006 yil. ISBN  978-1-4051-1118-8
• Miller, Charlz B.; Wheeler, Patricia A. Biologik okeanografiya (Ikkinchi nashr). Villi-Blekvell. ISBN  978-1-4443-3302-2.
• Pond, S. va Pickard, G. L., Kirish dinamik okeanografiya, Pergamon Press. Ikkinchi nashr. 1983 yil. ISBN  978-0-08-028728-7
• Sarmiento, Xorxe L.; Gruber, Nikolas (2006). Okean biogeokimyoviy dinamikasi. Prinston universiteti matbuoti. ISBN  978-0-691-01707-5.
• Sverdrup, KA, Duxbury, AC, Duxbury, AB, Dunyo okeaniga kirish, McGraw-Hill. Sakkizinchi nashr. 2005 yil. ISBN  978-0-07-294555-3

Tashqi havolalar

• Ekman transporti nima?