Hraniční proud

Největší světové oceánské gyry

Západní hraniční proudy jsou teplé, hluboké, úzké a rychle tekoucí proudy, které vznikají na západní straně oceánských pánví v důsledku západního zesílení. Přenášejí teplou vodu z tropů směrem k pólům. Příkladem je Golfský proud, Agulhaský proud a Kurošio.

Západní intenzifikaceEdit

Západní intenzifikace se týká západního ramene oceánského proudu, zejména velkého gyru v takové pánvi. V tropech vanou pasáty západním směrem. Ve středních zeměpisných šířkách vanou západní větry směrem na východ. To působí na povrch oceánu se stočením na severní a jižní polokouli: způsobuje Sverdrupův transport směrem k rovníku (k tropům). Vzhledem k zachování hmoty a zachování potenciální vířivosti je tento transport vyrovnáván úzkým, intenzivním pólovým prouděním, které proudí podél západního pobřeží a umožňuje vířivosti vnášené pobřežním třením vyrovnávat vířivost vnášenou větrem. Opačný efekt platí pro polární gyry – znaménko zakřivení napětí větru a směr výsledných proudů jsou obrácené. Hlavní západní proudy (např. Golfský proud v severním Atlantiku) jsou silnější než opačné proudy (např. Kalifornský proud v severním Pacifiku). Mechaniku objasnil americký oceánograf Henry Stommel.

V roce 1948 Stommel publikoval svůj klíčový článek v časopise Transactions, American Geophysical Union: „The Westward Intensification of Wind-Driven Ocean Currents“, ve kterém použil jednoduchý, homogenní, obdélníkový model oceánu ke zkoumání proudnic a výškových kontur povrchu pro oceán v nerotujícím rámci, oceán charakterizovaný konstantním Coriolisovým parametrem a konečně oceánskou pánev v reálném případě s Coriolisovým parametrem měnícím se v zeměpisné šířce. V tomto jednoduchém modelování byly zohledněny hlavní faktory ovlivňující oceánskou cirkulaci:

• povrchové větrné napětí
• tření o dno
• proměnlivá výška hladiny vedoucí k horizontálním tlakovým gradientům
• Coriolisův efekt.

Předpokládal přitom oceán o konstantní hustotě a hloubce D + h {\displaystyle D+h}.

vidící oceánské proudy; zavedl také linearizovaný, třecí člen, aby zohlednil disipativní efekty, které skutečnému oceánu brání ve zrychlování. Vychází tedy z rovnic hybnosti a kontinuity v ustáleném stavu:

f ( D + h ) v – F cos ( π y b ) – R u – g ( D + h ) ∂ h ∂ x = 0 ( 1 ) {\displaystyle f(D+h)v-F\cos \left({\frac {\pi y}{b}}}right)-Ru-g(D+h){\frac {\partial h}{\partial x}}=0\qquad (1)}

– f ( D + h ) u – R v – g ( D + h ) ∂ h ∂ y = 0 ( 2 ) {\displaystyle \quad -f(D+h)u-Rv-g(D+h){\frac {\partial h}{\partial y}}=0\qquad \qquad (2)}

∂ ∂ x + ∂ ∂ y = 0 ( 3 ) {\displaystyle \qquad \qquad {\frac {\partial }{\partial x}}+{\frac {\partial }{\partial y}}=0\qquad \qquad \qquad (3)}

Tady f {\displaystyle f}

je síla Coriolisovy síly, R {\displaystyle R}

je koeficient spodního tření, g {\displaystyle g\,\,}

je gravitace a – F cos ( π y b ) {\displaystyle -F\cos \left({\frac {\pi y}{b}}\right)}

je síla větru. Vítr vane směrem na západ v bodě y = 0 {\displaystyle y=0}.

a směrem k východu při y = b {\displaystyle y=b}

.

Působí na (1) s ∂ ∂ y {\displaystyle {\frac {\partial }{\partial y}}}.

a na (2) s ∂ ∂ x {\displaystyle {\frac {\partial }{\partial x}}}

, odečtením a následným použitím (3), dostaneme v ( D + h ) ( ∂ f ∂ y ) + π F b sin ( π y b ) + R ( ∂ v ∂ x – ∂ u ∂ y ) = 0 ( 4 ) {\displaystyle v(D+h)\left({\frac {\frac {\pi F}{b}}\sin \levo({\frac {\pi y}{b}}\pravo)+R\levo({\frac {\pi v}{\partial x}}-.{\frac {\partial u}{\partial y}}\right)=0\quad (4)}

Zavedeme-li proudovou funkci ψ {\displaystyle \psi }

a linearizujeme za předpokladu, že D >> h {\displaystyle D>>h}

, rovnice (4) se redukuje na

∇ 2 ψ + α ( ∂ ψ ∂ x ) = γ sin ( π y b ) ( 5 ) {\displaystyle \nabla ^{2}\psi +\alfa \left({\frac {\partial \psi }{\partial x}}\right)=\gamma \sin \left({\frac {\pi y}{b}}\right)\qquad (5)}

Tady

α = ( D R ) ( ∂ f ∂ y ) {\displaystyle \alfa =\left({\frac {D}{R}}}\right)\left({\frac {\partial f}{\partial y}}\right)}

a

γ = π F R b {\displaystyle \gamma ={\frac {\pi F}{Rb}}}.

Řešení (5) s okrajovou podmínkou, že ψ {\displaystyle \psi }

jsou na pobřeží konstantní a pro různé hodnoty α {\displaystyle \alpha }.

, zdůrazňují roli změny Coriolisova parametru se zeměpisnou šířkou při podněcování zesilování západních hraničních proudů. Tyto proudy jsou podle pozorování mnohem rychlejší, hlubší, užší a teplejší než jejich východní protějšky.

Při nerotujícím stavu (nulový Coriolisův parametr) a tam, kde je tento parametr konstantní, nemá oceánská cirkulace žádnou preferenci směrem k zesílení/zrychlení v blízkosti západní hranice. Proudnice vykazují symetrické chování ve všech směrech, přičemž výškové kontury vykazují téměř paralelní vztah k proudnicím, v homogenně rotujícím oceánu. A konečně na rotující kouli – případ, kdy je Coriolisova síla šířkově variantní, se objevuje výrazná tendence k asymetrickým proudnicím s intenzivním seskupením podél západního pobřeží. V článku lze nalézt matematicky elegantní obrázky v rámci modelů rozložení proudnic a výškových kontur v takovém oceánu, pokud proudy rovnoměrně rotují.

Sverdrupova rovnováha a fyzika západního zesíleníEdit

Fyziku západního zesílení lze pochopit prostřednictvím mechanismu, který pomáhá udržovat vírovou rovnováhu podél oceánského gyru. Harald Sverdrup byl první, kdo se před Henrym Stommelem pokusil vysvětlit rovnováhu vírů ve středním oceánu tím, že se zabýval vztahem mezi vlivy povrchového větru a přenosem hmoty v horní vrstvě oceánu. Předpokládal geostrofické vnitřní proudění, přičemž zanedbal jakékoli třecí nebo viskózní účinky a předpokládal, že cirkulace v určité hloubce oceánu zaniká. To znemožnilo aplikaci jeho teorie na západní hraniční proudy, protože později se ukázalo, že k předpovědi uzavřené cirkulace pro celou oceánskou pánev a k neutralizaci proudění poháněného větrem je nutná určitá forma disipativního efektu (spodní Ekmanova vrstva).

Sverdrup zavedl argument potenciální vířivosti, aby spojil čisté, vnitřní proudění oceánů s povrchovým větrným napětím a podněcovanými planetárními vírovými perturbacemi. Předpokládal například, že Ekmanova konvergence v subtropech (související s existencí pasátů v tropech a západních větrů ve středních zeměpisných šířkách) vede k poklesu vertikální rychlosti, a tedy ke smršťování vodních sloupců, což následně nutí oceánský vír k pomalejšímu víření (prostřednictvím zachování momentu hybnosti). Toho se dosahuje prostřednictvím snížení planetární vířivosti (protože relativní změny vířivosti nejsou ve velkých oceánských cirkulacích významné), což je jev dosažitelný prostřednictvím rovníkově orientovaného vnitřního proudění, které je charakteristické pro subtropický gyr. Opačná situace nastává při vyvolání Ekmanovy divergence, která vede k Ekmanově absorpci (sání) a následnému protažení vodního sloupce a zpětnému proudění směrem k pólu, což je charakteristické pro subpolární gyry.

Toto zpětné proudění, jak ukázal Stommel, se vyskytuje v meridionálním proudění soustředěném u západní hranice oceánské pánve. Aby vyvážil zdroj vířivosti vyvolaný působením větrného napětí, zavedl Stommel do Sverdrupovy rovnice lineární třecí člen, který funguje jako propad vířivosti. Tento přízemní oceánský třecí odpor na horizontální proudění umožnil Stommelovi teoreticky předpovědět uzavřenou cirkulaci v celé pánvi a zároveň prokázat zesílení větrem hnaných vírů směrem na západ a jeho přisouzení Coriolisově variaci se zeměpisnou šířkou (beta efekt). Walter Munk (1950) dále implementoval Stommelovu teorii západní intenzifikace tím, že použil realističtější třecí člen a zároveň zdůraznil „laterální disipaci vírové energie“. Tímto způsobem nejenže reprodukoval Stommelovy výsledky a obnovil tak cirkulaci západního hraničního proudu oceánského gyru připomínajícího Golfský proud, ale také ukázal, že subpolární gyry by se měly vyvíjet severně od subtropických a točit se v opačném směru.

Změna klimatuEdit

Pozorování ukazují, že oteplování oceánu nad subtropickými západními hraničními proudy je 2-3krát silnější než globální průměrné oteplování povrchového oceánu. Studie zjistila, že zesílené oteplování lze přičíst zesílení a posunu západních hraničních proudů směrem k pólu jako vedlejšímu účinku rozšiřující se Hadleyho cirkulace při globálním oteplování. Tato ohniska oteplování způsobují vážné environmentální a ekonomické problémy, jako je rychlý vzestup mořské hladiny podél východního pobřeží Spojených států, kolaps rybolovu nad Mainským zálivem a Uruguayí.

.