Határáramlat

A világ legnagyobb óceáni ciklonjai

A nyugati határáramlatok meleg, mély, keskeny és gyors áramlású áramlatok, amelyek az óceáni medencék nyugati oldalán alakulnak ki a nyugati intenzifikáció következtében. Ezek meleg vizet szállítanak a trópusokról a pólusok felé. Ilyen például a Golf-áramlat, az Agulhas-áramlat és a Kuroshio.

Nyugati intenzifikációSzerkesztés

A nyugati intenzifikáció egy óceáni áramlat nyugati ágára vonatkozik, különösen egy ilyen medencében lévő nagy örvényre. A trópusokon a passzátszelek nyugati irányban fújnak. A nyugati szelek a középső szélességi körökben kelet felé fújnak. Ez feszültséget gyakorol az óceán felszínére, amely az északi és a déli féltekén görbülettel rendelkezik: ez okozza a Sverdrup-transzportot az egyenlítő felé (a trópusok felé). A tömeg és a potenciális örvényesség megőrzése miatt ezt a transzportot egy keskeny, intenzív pólusirányú áramlás ellensúlyozza, amely a nyugati partok mentén áramlik, lehetővé téve, hogy a part menti súrlódás által bevezetett örvényesség ellensúlyozza a szél által bevitt örvényességet. A sarki görbékre fordított hatás érvényes – a szélfeszültségi görbület előjele és a keletkező áramlatok iránya megfordul. A fő nyugati oldali áramlatok (például az Atlanti-óceán északi részén a Golf-áramlat) erősebbek, mint az ellentétes irányúak (például a Csendes-óceán északi részén a Kalifornia-áramlat). A mechanikát Henry Stommel amerikai oceanográfus tette világossá.

1948-ban Stommel a Transactions, American Geophysical Union című folyóiratban tette közzé kulcsfontosságú tanulmányát: “The Westward Intensification of Wind-Driven Ocean Currents”, amelyben egy egyszerű, homogén, téglalap alakú óceánmodell segítségével megvizsgálta az áramvonalakat és a felszíni magassági kontúrokat egy nem forgó keretben lévő óceánra, egy állandó Coriolis-paraméterrel jellemzett óceánra és végül egy szélességi irányban változó Coriolis-paraméterrel rendelkező, valós helyzetű óceánmedencére. Ebben az egyszerű modellezésben az óceáni cirkulációt befolyásoló fő tényezőket vették figyelembe:

• felszíni szélfeszültség
• fenéki súrlódás
• változó felszínmagasság, ami vízszintes nyomásgradienshez vezet
• a Coriolis-hatás.

Ezekben állandó sűrűségű és D + h {\displaystyle D+h} mélységű óceánt feltételezett.

látva az óceáni áramlatokat; bevezetett egy linearizált, súrlódásos kifejezést is, hogy figyelembe vegye a disszipatív hatásokat, amelyek megakadályozzák a valós óceán gyorsulását. Ő tehát az állandósult állapotú impulzus és folytonossági egyenletekből indul ki:

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 \qquad (3)}

Here f {\displaystyle f}

a Coriolis erő erőssége, R {\displaystyle R}

az alsó súrlódási együttható, g {\displaystyle g\,\,}

a gravitáció, és – F cos ( π y b ) {\displaystyle -F\cos \left({\frac {\pi y}{b}}}\right)}

a szélerősség. A szél nyugat felé fúj y = 0 {\displaystyle y=0}

és kelet felé y = b-nél {\displaystyle y=b}

.

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

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

, kivonva, majd (3) segítségével, kapjuk 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)}

Ha bevezetünk egy patakfüggvényt ψ {\displaystyle \psi }

és linearizáljuk, feltételezve, hogy D >> h {\displaystyle D>>h}

, a (4) egyenlet redukálódik

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

Itt

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

és

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

Az (5) megoldásai azzal a peremfeltétellel, hogy ψ {\displaystyle \psi }

állandóak a partvonalakon, és α {\displaystyle \alpha } különböző értékeihez.

, hangsúlyozzák a Coriolis-paraméter szélességgel való változásának szerepét a nyugati határáramlatok erősödésének ösztönzésében. Az ilyen áramlatok a megfigyelések szerint sokkal gyorsabbak, mélyebbek, keskenyebbek és melegebbek, mint keleti társaik.

Egy nem forgó állapotban (nulla Coriolis-paraméter) és ahol ez egy állandó, az óceáni cirkuláció nem preferálja az erősödést/gyorsulást a nyugati határ közelében. Az áramlási vonalak minden irányban szimmetrikus viselkedést mutatnak, a magassági kontúrok pedig közel párhuzamos kapcsolatot mutatnak az áramlási vonalakkal egy homogénen forgó óceánban. Végül, egy forgó gömbön – abban az esetben, amikor a Coriolis-erő szélességi irányban változik – az aszimmetrikus áramlási vonalak határozott tendenciája figyelhető meg, a nyugati partok mentén intenzív csoportosulással. A dolgozatban matematikailag elegáns ábrák találhatók az áramvonalak és magassági kontúrok eloszlásának modelljein belül egy ilyen óceánban, ha az áramlatok egyenletesen forognak.

Sverdrup-egyensúly és a nyugati intenzifikáció fizikájaSzerkesztés

A nyugati intenzifikáció fizikája egy olyan mechanizmuson keresztül érthető meg, amely segít fenntartani az örvényegyensúlyt egy óceáni örvény mentén. Harald Sverdrup volt az első, aki Henry Stommelt megelőzve megpróbálta megmagyarázni az óceánközépi örvényességi egyensúlyt a felszíni szélerősség és a felső óceáni rétegben zajló tömegszállítás közötti kapcsolat vizsgálatával. Geostrofikus belső áramlást feltételezett, miközben elhanyagolta a súrlódási vagy viszkozitási hatásokat, és feltételezte, hogy a cirkuláció az óceán bizonyos mélységében megszűnik. Ez megakadályozta elméletének alkalmazását a nyugati határáramlatokra, mivel később bebizonyosodott, hogy valamilyen disszipatív hatás (alsó Ekman-réteg) szükséges egy egész óceáni medencére vonatkozó zárt cirkuláció előrejelzéséhez és a szél okozta áramlás ellensúlyozásához.

Sverdrup bevezette a potenciális örvényességi érvet, hogy összekapcsolja az óceánok nettó, belső áramlását a felszíni szélfeszültséggel és a gerjesztett planetáris örvényességi perturbációkkal. Például az Ekman-konvergencia a szubtrópusokon (amely a trópusokon a passzátszelek, a középső szélességeken pedig a nyugati szelek létezéséhez kapcsolódik) azt sugallta, hogy lefelé irányuló függőleges sebességet és ezáltal a vízoszlopok összenyomódását eredményezi, ami aztán az óceáni ciklust lassabb forgásra kényszeríti (a szögimpulzus megőrzésén keresztül). Ez a planetáris örvényesség csökkenésén keresztül valósul meg (mivel a relatív örvényességváltozások nem jelentősek a nagy óceáni áramlásokban), ami a szubtrópusi örvényt jellemző, egyenlítői irányú, belső áramlás révén érhető el. Ennek ellenkezője érvényesül, amikor Ekman-divergenciát idéznek elő, ami Ekman-elnyeléshez (szíváshoz) és az azt követő, a vízoszlop megnyúlásához és pólus felé irányuló visszaáramláshoz vezet, ami a szubpoláris ciklonokra jellemző.

Ez a visszatérő áramlás, amint azt Stommel kimutatta, egy meridionális áramlásban jelentkezik, amely egy óceáni medence nyugati határa közelében koncentrálódik. A szélfeszültség által indukált örvényességi forrás ellensúlyozására Stommel bevezetett egy lineáris súrlódási kifejezést a Sverdrup-egyenletbe, amely örvényességi nyelőként működik. Ez az óceánfenéki súrlódási ellenállás a vízszintes áramlásra lehetővé tette Stommel számára, hogy elméletileg megjósoljon egy zárt, az egész medencére kiterjedő cirkulációt, miközben bemutatta a szél által vezérelt örvények nyugat felé irányuló erősödését és annak a szélességgel együtt járó Coriolis-változásnak (béta-hatás) való tulajdonítását. Walter Munk (1950) tovább vitte Stommel elméletét a nyugati intenzifikációról egy reálisabb súrlódási kifejezés alkalmazásával, miközben hangsúlyozta “az örvényenergia laterális disszipációját”. Ily módon nemcsak reprodukálta Stommel eredményeit, újrateremtve így a Golf-áramlathoz hasonló óceáni örvény nyugati határáramlatának keringését, hanem azt is kimutatta, hogy a szubpoláris örvényeknek a szubtrópusi örvényektől északra kell kialakulniuk, ellentétes irányban forogva.

ÉghajlatváltozásSzerkesztés

A megfigyelések szerint a szubtrópusi nyugati határáramlatok feletti óceáni felmelegedés 2-3-szor erősebb, mint a globális átlagos felszíni óceáni felmelegedés. A tanulmány szerint a fokozott felmelegedés a nyugati határáramlatok erősödésének és pólusirányú eltolódásának tulajdonítható, ami a globális felmelegedés hatására kiszélesedő Hadley-keringés mellékhatása. Ezek a felmelegedési gócpontok súlyos környezeti és gazdasági problémákat okoznak, mint például a gyors tengerszint-emelkedés az Egyesült Államok keleti partvidékén, a halászat összeomlása a Maine-öböl és Uruguay felett.