Rajavirta

Maailman suurimmat valtameren pyörteet

Länsisuuntaiset rajavirtaukset ovat lämpimiä, syviä, kapeita ja nopeasti virtaavia virtauksia, jotka muodostuvat merialtaiden länsipuolelle länsisuuntaisen voimistumisen seurauksena. Ne kuljettavat lämmintä vettä tropiikista napaa kohti. Esimerkkejä ovat Golfvirta, Agulhas-virta ja Kuroshio.

Läntinen voimistuminenEdit

Läntinen voimistuminen koskee valtamerivirtauksen läntistä haaraa, erityisesti suurta pyörrettä tällaisessa altaassa. Pasaatituulet puhaltavat tropiikissa länteen. Länsituulet puhaltavat itään keskileveysasteilla. Tämä aiheuttaa valtameren pintaan jännityksen, joka on kaareva pohjoisella ja eteläisellä pallonpuoliskolla: se aiheuttaa Sverdrupin kuljetuksen päiväntasaajan suuntaan (kohti tropiikkia). Massan ja potentiaalisen pyörteisyyden säilymisen vuoksi tätä kuljetusta tasapainottaa kapea, voimakas napaan suuntautuva virtaus, joka virtaa länsirannikkoa pitkin, jolloin rannikkokitkan aiheuttama pyörteisyys tasapainottaa tuulen aiheuttaman pyörteisyyden. Polaarihyrrään pätee päinvastainen vaikutus – tuulen jännityskäyrän merkki ja siitä johtuvien virtausten suunta ovat päinvastaiset. Tärkeimmät länsipuolen virtaukset (kuten Pohjois-Atlantin Golfvirta) ovat voimakkaampia kuin vastakkaiset virtaukset (kuten Tyynenmeren pohjoisosan Kalifornianvirta). Mekaniikan selvitti amerikkalainen merentutkija Henry Stommel.

Vuonna 1948 Stommel julkaisi keskeisen artikkelinsa Transactions, American Geophysical Union -lehdessä: ”The Westward Intensification of Wind-Driven Ocean Currents”, jossa hän käytti yksinkertaista, homogeenista, suorakulmaista valtamerimallia tutkiakseen virtaviivoja ja pinnan korkeuskäyriä valtameressä, jossa ei ole pyörivää kehikkoa, valtameressä, jolle on ominaista vakio Coriolis-parametri, ja lopuksi todellisessa tapauksessa valtameren altaassa, jossa Coriolis-parametri vaihtelee leveyssuunnassa. Tässä yksinkertaisessa mallinnuksessa otettiin huomioon valtameren liikkeeseen vaikuttavat päätekijät:

• pintatuulijännitys
• pohjakitka
• vaihteleva pinnankorkeus, joka johtaa vaakasuuntaisiin painegradientteihin
• Coriolis-ilmiö.

Tässä hän oletti valtameren, jonka tiheys on vakio ja jonka syvyys on vakio, D + h. {\displaystyle D+h}

näkevän merivirrat; hän otti myös käyttöön linearisoidun, kitkatermin ottaakseen huomioon dissipatiiviset vaikutukset, jotka estävät todellista valtamerta kiihtymästä. Hän lähtee siis liikkeelle vakaan tilan momentti- ja jatkuvuusyhtälöistä:

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 y}}=0\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (3)}

Tässä f {\displaystyle f}

on Coriolisvoiman voimakkuus, R {\displaystyle R}

on pohjakitkakerroin, g {\displaystyle g\,\,}

on painovoima ja – F cos ( π y b ) {\displaystyle -F\cos \left({\frac {\pi y}{b}}}\right)}

on tuulivoima. Tuuli puhaltaa kohti länttä kohdassa y = 0 {\displaystyle y=0}

ja kohti itää kohdassa y = b {\displaystyle y=b}

.

Voimalla (1) ∂ ∂ y {\displaystyle {\frac {\partial }{\partial y}}}

ja (2) kanssa ∂ ∂ x {\displaystyle {\frac {\partial }{\partial x}}}

, vähennetään ja käytetään sitten (3), saadaan 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)}

Jos esitämme Stream-funktion ψ {\displaystyle \psi }

ja linearisoidaan olettamalla, että D >> h {\displaystyle D>>h}

, yhtälö (4) pelkistyy muotoon

∇ 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)}

Here

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

ja

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

Luvun (5) ratkaisut reunaehdolla, että ψ {\displaystyle \psi }

ovat vakioita rantaviivoilla ja eri arvoille α {\displaystyle \alpha }

, korostavat Coriolis-parametrin vaihtelun merkitystä leveyspiirin mukaan läntisten rajavirtausten voimistumisen yllyttämisessä. Tällaisten virtausten havaitaan olevan paljon nopeampia, syvempiä, kapeampia ja lämpimämpiä kuin itäisten vastaaviensa.

Pyörimättömässä tilassa (Coriolis-parametrin ollessa nolla) ja kun Coriolis-parametri on vakio, valtamerivirtaus ei suosi voimistumista/kiihdytystä länsirajan lähellä. Virtausviivat käyttäytyvät symmetrisesti kaikkiin suuntiin, ja korkeuskäyrät ovat lähes yhdensuuntaisia virtausviivojen kanssa homogeenisesti pyörivässä valtameressä. Pyörivällä pallolla – tapauksessa, jossa Coriolisvoima vaihtelee leveyssuunnassa – on havaittavissa selvä suuntaus epäsymmetrisiin virtaviivoihin, jotka ryhmittyvät voimakkaasti länsirannikolla. Matemaattisesti tyylikkäitä kuvioita malleissa virtaviivojen ja korkeuskäyrien jakautumisesta tällaisessa valtameressä, jos virtaukset pyörivät tasaisesti, löytyy artikkelista.

Sverdrup-tasapaino ja läntisen voimistumisen fysiikkaEdit

Läntisen voimistumisen fysiikkaa voidaan ymmärtää mekanismin avulla, joka auttaa ylläpitämään pyörteentasapainoa valtameren pyörteessä. Harald Sverdrup oli ensimmäinen, joka Henry Stommelia edeltäen yritti selittää valtameren keskiosien pyörteisyystasapainoa tarkastelemalla pintatuulivoimien ja valtameren ylemmässä kerroksessa tapahtuvan massankuljetuksen välistä suhdetta. Hän oletti, että sisäinen virtaus on geostrofinen, mutta jätti huomiotta kitka- tai viskositeettivaikutukset ja oletti, että kierto häviää jossakin syvyydessä valtameressä. Tämä esti hänen teoriansa soveltamisen läntisiin rajavirtauksiin, koska jonkinlainen dissipatiivinen vaikutus (pohjan Ekmanin kerros) osoittautui myöhemmin välttämättömäksi, jotta voitaisiin ennustaa suljettu kierto koko valtameren altaalle ja toimia vastapainona tuulen aiheuttamalle virtaukselle.

Sverdrup otti käyttöön potentiaalisen pyörteisyysargumentin liittääkseen valtamerten sisäisen nettovirtauksen pintatuulijännitykseen ja planeetan herättämiin pyörteisyyshäiriöihin. Esimerkiksi Ekmanin konvergenssin subtropiikissa (joka liittyy pasaatituulten olemassaoloon tropiikissa ja länsituulten olemassaoloon keskileveysasteilla) ehdotettiin johtavan alaspäin suuntautuvaan pystysuuntaiseen nopeuteen ja siten vesipatsaiden kokoonpuristumiseen, mikä pakottaa valtameren pyörremyrskyn pyörimään hitaammin (kulmamomentin säilymisen kautta). Tämä tapahtuu planetaarisen pyörteisyyden vähenemisen kautta (koska suhteelliset pyörteisyyden vaihtelut eivät ole merkittäviä suurissa valtameren kiertokulkuissa), ja tämä ilmiö on saavutettavissa ekvaattorisuuntaisen, sisäisen virtauksen avulla, joka on ominaista subtrooppiselle pyörteelle. Asia on päinvastoin, kun Ekmanin divergenssi aiheutuu, mikä johtaa Ekmanin absorptioon (imuun) ja sitä seuraavaan vesipatsaan venymiseen ja napa-alueelle suuntautuvaan paluuvirtaukseen, mikä on ominaista subpolaarisille pyörteille.

Tämä paluuvirtaus, kuten Stommel osoitti, tapahtuu meridionaalisessa virtauksessa, joka keskittyy lähelle valtameren altaan länsirajaa. Tasapainottaakseen tuulijännityksen aiheuttamaa pyörteisyyslähdettä Stommel otti Sverdrupin yhtälöön käyttöön lineaarisen kitkatermin, joka toimii pyörteisyysnieluna. Tämä merenpohjan kitkavastus vaakasuorassa virtauksessa antoi Stommelille mahdollisuuden ennustaa teoreettisesti suljetun, koko altaan laajuisen kiertoliikkeen ja osoitti samalla tuulen aiheuttamien pyörteiden voimistumisen länteen päin ja sen johtuvan Coriolis-ilmiön vaihtelusta leveyspiirin mukaan (beeta-ilmiö). Walter Munk (1950) toteutti edelleen Stommelin teorian läntisestä voimistumisesta käyttämällä realistisempaa kitkatermiä ja korostaen samalla ”pyörre-energian sivusuuntaista häviämistä”. Tällä tavoin hän ei ainoastaan toistanut Stommelin tuloksia ja loi siten uudelleen Golf-virtaa muistuttavan valtameren pyörteen läntisen rajavirran kiertokulun, vaan hän osoitti myös, että subpolaaristen pyörteiden pitäisi kehittyä subtrooppisten pyörteiden pohjoispuolelle ja pyöriä vastakkaiseen suuntaan.

IlmastonmuutosMuutos

Edit

Havainnot viittaavat siihen, että valtameren lämpeneminen subtrooppisten läntisten rajavirtojen yläpuolella on 2 – 3-kertaisesti voimakkaampaa kuin valtameren pinnan globaali keskilämpötila. Tutkimuksen mukaan voimakkaampi lämpeneminen voi johtua läntisten rajavirtausten voimistumisesta ja siirtymisestä napaa kohti, mikä on Hadleyn kiertokulun laajenemisen sivuvaikutus ilmaston lämmetessä. Nämä lämpenemisen kriisipesäkkeet aiheuttavat vakavia ympäristö- ja talousongelmia, kuten merenpinnan nopean nousun Yhdysvaltojen itärannikolla, kalastuksen romahtamisen Mainenlahdella ja Uruguayssa.