Grænsestrøm

Verdens største havgyer

Vestlige grænsestrømme er varme, dybe, smalle og hurtigt strømmende strømme, der dannes på vestsiden af havbassiner som følge af vestlig intensivering. De transporterer varmt vand fra troperne polsk mod polerne. Eksempler omfatter Golfstrømmen, Agulhasstrømmen og Kuroshio.

Vestlig intensiveringRediger

Vestlig intensivering gælder for den vestlige arm af en oceanisk strøm, især en stor gyre i et sådant bassin. Passatvindene blæser vestpå i troperne. De vestlige vinde blæser mod øst på de mellemste breddegrader. Dette medfører en belastning af havets overflade med en krølle på den nordlige og sydlige halvkugle, hvilket forårsager Sverdrup-transport mod ækvator (mod troperne). På grund af bevarelse af masse og potentiel vorticitet opvejes denne transport af en smal, intens polargående strøm, der strømmer langs vestkysten, så den vorticitet, der indføres ved kystfriktion, opvejer den vorticitet, der tilføres af vinden. Den omvendte effekt gælder for de polære gyres – fortegnet på vindspændingskurven og retningen af de resulterende strømme er omvendt. De vigtigste strømme på vestsiden (f.eks. Golfstrømmen i det nordlige Atlanterhav) er stærkere end de modsatte strømme (f.eks. Californienstrømmen i det nordlige Stillehav). Den amerikanske oceanograf Henry Stommel gjorde mekanikken klar.

I 1948 offentliggjorde Stommel sin centrale artikel i Transactions, American Geophysical Union: “The Westward Intensification of Wind-Driven Ocean Currents”, hvori han brugte en simpel, homogen, rektangulær havmodel til at undersøge strømlinjerne og overfladehøjdekonturerne for et hav ved en ikke-roterende ramme, et hav præget af en konstant Coriolis-parameter og endelig et reelt havbassin med en latitudinalt varierende Coriolis-parameter. I denne enkle modellering blev der taget højde for følgende hovedfaktorer, der påvirker den oceaniske cirkulation:

• overfladevindspænding
• bundfriktion
• en variabel overfladehøjde, der fører til horisontale trykgradienter
• coriolis-effekten.

I denne antog han et hav med konstant massefylde og dybde D + h {\displaystyle D+h}

se havstrømme; han indførte også et lineært friktionsterm for at tage højde for de dissipative virkninger, der forhindrer det virkelige hav i at accelerere. Han tager således udgangspunkt i de stationære impuls- og kontinuitetsligninger:

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

Her f {\displaystyle f}

er styrken af corioliskraften, R {\displaystyle R}

er bundfriktionskoefficienten, g {\displaystyle g\,\,}

er tyngdekraften, og – F cos ( π y b ) {\displaystyle -F\cos \left({\frac {\pi y}{b}}}\right)}

er vindforceringen. Vinden blæser mod vest ved y = 0 {\displaystyle y=0}

og mod øst ved y = b {\displaystyle y=b}

.

Ved virkning på (1) med ∂ ∂ y {\displaystyle {\frac {\partial }{\partial y}}}}

og på (2) med ∂ ∂ x {\displaystyle {\frac {\frac {\partial }{\partial x}}}

, subtrahere, og derefter bruge (3), giver 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 {\partial f}{\partial y}}}\right)+{\frac {\pi F}{b}}}\sin \left({\frac {\pi y}{b}}}\right)+R\left({\frac {\partial v}{\partial x}}-{\frac {\partial u}{\partial y}}}\right)=0\quad (4)}

Hvis vi introducerer en Stream-funktion ψ {\displaystyle \psi }

og linearisere ved at antage, at D >> h {\displaystyle D>>h}

, reduceres ligning (4) til

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

Her

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

og

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

Løsningerne af (5) med randbetingelsen, at ψ {\displaystyle \psi }

være konstant på kystlinjerne, og for forskellige værdier af α {\displaystyle \alpha }

, understreger den rolle, som variationen af Coriolis-parameteren med breddegraden spiller for styrkelsen af de vestlige grænsestrømme. Sådanne strømme observeres at være meget hurtigere, dybere, smallere og varmere end deres østlige modstykker.

For en ikke-roterende tilstand (nul Coriolis-parameter), og hvor denne er en konstant, har havcirkulationen ingen præference for intensivering/acceleration nær den vestlige grænse. Strømlinierne udviser en symmetrisk opførsel i alle retninger, og højdekonturerne udviser en næsten parallel relation til strømlinierne i et homogent roterende hav. Endelig findes der på en roterende kugle – i det tilfælde, hvor Corioliskraften varierer i bredden – en tydelig tendens til asymmetriske strømlinjer med en intens gruppering langs de vestlige kyster. Matematisk elegante figurer inden for modeller af fordelingen af strømlinier og højdekonturer i et sådant hav, hvis strømmene roterer ensartet, kan findes i artiklen.

Sverdrup-balance og fysikken i vestlig intensiveringRediger

Fysikken i vestlig intensivering kan forstås gennem en mekanisme, der hjælper med at opretholde hvirvelbalancen langs en havgyr. Harald Sverdrup var den første, før Henry Stommel, der forsøgte at forklare den midt-oceaniske vorticitetsbalance ved at se på forholdet mellem overfladevindforceringerne og massetransporten i det øvre havlag. Han antog en geostrofisk indre strømning, idet han negligerede eventuelle friktions- eller viskositetseffekter og antog, at cirkulationen forsvinder på en vis dybde i havet. Dette forbød anvendelsen af hans teori på de vestlige grænsestrømme, da en eller anden form for dissipativ effekt (Ekman-bundlag) senere skulle vise sig at være nødvendig for at forudsige en lukket cirkulation for et helt havbassin og for at modvirke den vinddrevne strømning.

Sverdrup indførte et potentielt vorticitetsargument for at forbinde den indre nettostrøm i havene med overfladens vindspænding og de tilskyndede planetariske vorticitetsforstyrrelser. F.eks. blev Ekman-konvergens i de subtropiske områder (i forbindelse med eksistensen af passatvinde i troperne og vestlige vinde på de midterste breddegrader) foreslået at føre til en vertikal hastighed nedad og dermed til en sammenpresning af vandsøjlerne, hvilket efterfølgende tvinger havets hvirvelstrøm til at dreje langsommere (via bevarelse af impulsmomentet). Dette opnås gennem et fald i den planetariske vorticity (da relative vorticity-variationer ikke er væsentlige i store havcirkulationer), et fænomen, der kan opnås gennem en ækvatorielt rettet, indre strømning, som karakteriserer den subtropiske gyre. Det modsatte er tilfældet, når Ekman-divergens fremkaldes, hvilket fører til Ekman-absorption (sugning) og en efterfølgende strækning af vandsøjlen og en tilbagevendende strømning mod polen, hvilket er karakteristisk for subpolare gyres.

Denne returstrømning forekommer, som vist af Stommel, i en meridional strøm, der er koncentreret nær den vestlige grænse af et havbassin. For at afbalancere den vorticitetskilde, der er induceret af vindspændingsforceringen, indførte Stommel et lineært friktionsterm i Sverdrup-ligningen, der fungerer som vorticitetssænkning. Denne friktionsmodstand i bundhavet på den horisontale strømning gjorde det muligt for Stommel teoretisk at forudsige en lukket, bassin-dækkende cirkulation, samtidig med at han påviste den vestlige intensivering af vinddrevne gyres og dens tilskrivning til Coriolis-variationen med breddegraden (beta-effekten). Walter Munk (1950) implementerede yderligere Stommels teori om vestlig intensivering ved at anvende et mere realistisk friktionsterm, samtidig med at han lagde vægt på “den laterale dissipation af hvirvelenergi”. På denne måde reproducerede han ikke blot Stommels resultater og genskabte således cirkulationen af en vestlig grænsestrøm i en havgyer, der ligner Golfstrømmen, men han viste også, at subpolare gyres skulle udvikle sig nord for de subtropiske og dreje i den modsatte retning.

KlimaændringerRediger

Observationer tyder på, at opvarmningen af havet over de subtropiske vestlige grænsestrømme er 2-3 gange stærkere end den globale gennemsnitlige opvarmning af overfladehavet. Undersøgelsen viser, at den øgede opvarmning kan tilskrives en intensivering og forskydning mod polen af de vestlige grænsestrømme som en sideeffekt af den udvidede Hadley-cirkulation under den globale opvarmning. Disse hotspots for opvarmning forårsager alvorlige miljømæssige og økonomiske problemer som f.eks. den hurtige stigning i havniveauet langs USA’s østkyst, sammenbrud af fiskeriet i Maine-bugten og Uruguay.