Gränsström

Världens största oceaniska gyres

Västerliga gränsströmmar är varma, djupa, smala och snabbt strömmande strömmar som bildas på den västra sidan av havsbassängerna på grund av västlig förstärkning. De transporterar varmt vatten från tropikerna polärt. Exempel är Golfströmmen, Agulhasströmmen och Kuroshioströmmen.

Västra intensifieringRedigera

Västra intensifiering gäller den västra armen av en oceanisk ström, särskilt en stor virvel i en sådan bassäng. Passadvindarna blåser västerut i tropikerna. De västliga vindarna blåser österut på mellersta latituderna. Detta ger en påfrestning på havsytan med en krökning på norra och södra halvklotet, vilket orsakar Sverdruptransport ekvatorvägen (mot tropikerna). På grund av bevarandet av massa och potentiell vorticitet balanseras denna transport av en smal, intensiv polargående ström som flyter längs den västra kusten, vilket gör att den vorticitet som införs av kustfriktionen balanserar den vorticitet som tillförs av vinden. Den omvända effekten gäller för de polära gyres – tecknet på vindspänningskurvan och riktningen på de resulterande strömmarna är omvända. De viktigaste strömmarna på västsidan (t.ex. Golfströmmen i Nordatlanten) är starkare än de motsatta (t.ex. Kalifornienströmmen i norra Stilla havet). Mekaniken klargjordes av den amerikanske oceanografen Henry Stommel.

1948 publicerade Stommel sin viktigaste artikel i Transactions, American Geophysical Union: ”I detta dokument använde han en enkel, homogen, rektangulär havsmodell för att undersöka strömlinjerna och ytans höjdkonturer för ett hav i en icke-roterande ram, ett hav som kännetecknas av en konstant corioliparameter och slutligen en verklig havsbassäng med en latitudinellt varierande corioliparameter. I denna enkla modellering var de viktigaste faktorerna som beaktades för att påverka den oceaniska cirkulationen:

• Oppvärtesvindstress
• Bottenfriktion
• En varierande ythöjd som leder till horisontella tryckgradienter
• Corioliseffekten.

I denna antog han ett hav med konstant densitet och djup D + h {\displaystyle D+h}

se havsströmmar; han införde också en linjäriserad friktionsterm för att ta hänsyn till de dissipativa effekter som hindrar det verkliga havet från att accelerera. Han utgår alltså från de stationära rörelsemängdsekvationerna och kontinuitetsekvationerna:

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 (3)}

Här f {\displaystyle f}

är corioliskraftens styrka, R {\displaystyle R}

är bottenfriktionskoefficienten, g {\displaystyle g\,\,}

är gravitationen och – F cos ( π y b ) {\displaystyle -F\cos \left({\frac {\pi y}{b}}\right)}

är vindkraft. Vinden blåser mot väster vid y = 0 {\displaystyle y=0}

och mot öster vid y = b {\displaystyle y=b}

.

Att agera på (1) med ∂ ∂ y {\displaystyle {\frac {\partial }{\partial y}}}}

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

, subtraherar och använder sedan (3), ger 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 {\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)}

Om vi introducerar en strömfunktion ψ {\displaystyle \psi }

och linjäriserar genom att anta att D >> h {\displaystyle D>>h}

, ekvation (4) reduceras till

∇ 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 \left({\frac {\pi y}{b}}\right)\qquad (5)}

Här

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

och

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

Lösningarna av (5) med randvillkoret att ψ {\displaystyle \psi }

vara konstant på kustlinjerna, och för olika värden på α {\displaystyle \alpha }

, understryker den roll som Coriolisparameterns variation med latitud spelar när det gäller att stimulera förstärkningen av de västliga gränsströmmarna. Sådana strömmar observeras vara mycket snabbare, djupare, smalare och varmare än sina motsvarigheter i öster.

För ett icke-roterande tillstånd (Coriolis-parameter noll) och där den är en konstant, har havscirkulationen ingen preferens för intensifiering/acceleration nära den västra gränsen. Strömlinjerna uppvisar ett symmetriskt beteende i alla riktningar, och höjdkonturerna uppvisar ett nästan parallellt förhållande till strömlinjerna, i ett homogent roterande hav. Slutligen, på en roterande sfär – det fall där Corioliskraften är latitudinellt varierande – finner man en tydlig tendens till asymmetriska strömlinjer, med en intensiv gruppering längs de västra kusterna. Matematiskt eleganta figurer inom modeller för fördelningen av strömlinjer och höjdkonturer i ett sådant hav om strömmarna roterar enhetligt finns i artikeln.

Sverdrup-balans och fysiken bakom västlig intensifieringRedigera

Fysiken bakom västlig intensifiering kan förstås genom en mekanism som hjälper till att upprätthålla virvelbalansen längs en havsvirvel. Harald Sverdrup var den förste, före Henry Stommel, som försökte förklara vorticitetsbalansen i mitten av oceanen genom att titta på förhållandet mellan ytliga vindförstärkningar och masstransporten i det övre havsskiktet. Han antog ett geostrofiskt inre flöde, samtidigt som han försummade alla friktions- eller viskositetseffekter och antog att cirkulationen försvinner på ett visst djup i havet. Detta förbjöd tillämpningen av hans teori på de västra gränsströmmarna, eftersom någon form av dissipativ effekt (Ekman-lagret i botten) senare skulle visa sig vara nödvändig för att förutsäga en sluten cirkulation för ett helt havsbassäng och för att motverka det vinddrivna flödet.

Sverdrup införde ett argument för potentiell vorticitet för att koppla samman det inre nettoflödet i haven med ytvindspänningen och de uppdrivna planetära vorticitetsstörningarna. Exempelvis föreslogs Ekmankonvergens i subtropikerna (relaterad till existensen av passadvindar i tropikerna och västvindar på de mellersta latituderna) leda till en nedåtgående vertikal hastighet och därmed till att vattenpelarna pressas ihop, vilket sedan tvingar havsvirveln att snurra långsammare (via bevarandet av vinkelimpulsmomentet). Detta åstadkoms genom en minskning av den planetära vorticiteten (eftersom relativa vorticitetsvariationer inte är betydande i stora havscirkulationer), ett fenomen som kan uppnås genom ett ekvatoriellt riktat, inre flöde som kännetecknar den subtropiska virveln. Motsatsen gäller när Ekman-divergens framkallas, vilket leder till Ekman-absorption (sug) och en efterföljande sträckning av vattenpelaren och ett återflöde mot polen, vilket är karakteristiskt för subpolära virvlar.

Detta returflöde, som visats av Stommel, uppstår i en meridional ström som är koncentrerad nära den västra gränsen av ett havsbassäng. För att balansera den vorticitetskälla som induceras av vindspänningen införde Stommel en linjär friktionsterm i Sverdrup-ekvationen, som fungerar som en vorticitetssänka. Detta friktionsmotstånd från bottenhavet på det horisontella flödet gjorde det möjligt för Stommel att teoretiskt förutsäga en sluten, bassängomfattande cirkulation, samtidigt som han påvisade den västliga intensifieringen av vinddrivna virvlar och att den kan hänföras till Coriolis-variationen med latitud (beta-effekten). Walter Munk (1950) genomförde ytterligare Stommels teori om västlig intensifiering genom att använda en mer realistisk friktionsterm, samtidigt som han betonade ”den laterala dissipationen av virvelenergi”. På detta sätt reproducerade han inte bara Stommels resultat och återskapade på så sätt cirkulationen av en västlig gränsström i en havsvirvel som liknar Golfströmmen, utan han visade också att subpolära virvlar bör utvecklas norr om de subtropiska och snurra i motsatt riktning.

KlimatförändringRedigera

Observationer visar att uppvärmningen av havet över de subtropiska västliga gränsströmmarna är 2-3 gånger kraftigare än den globala genomsnittliga uppvärmningen av ytan av havet. Studien visar att den förstärkta uppvärmningen kan tillskrivas en intensifiering och polförskjutning av de västra gränsströmmarna som en sidoeffekt av den vidgade Hadleycirkulationen under den globala uppvärmningen. Dessa hotspots för uppvärmning orsakar allvarliga miljömässiga och ekonomiska problem, t.ex. den snabba havsnivåhöjningen längs USA:s östkust, kollapsen av fisket i Mainesbukten och Uruguay.