Геострофическое течение - Geostrophic current

Круговорот в северном полушарии в геострофическом равновесии . Более светлая вода менее плотная, чем темная, но более плотная, чем воздух; градиент давления наружу уравновешивается силой Кориолиса 90 градусов вправо от потока . Структура в конечном итоге рассыпается из-за трения и смешения свойств воды.

Геострофический ток является океаническим током , в котором градиент давление , сила уравновешивается эффектом Кориолиса . Направление геострофического потока параллельно изобарам , с высоким давлением справа от потока в северном полушарии и высоким давлением слева в южном полушарии . Эта концепция знакома по картам погоды, изобары которых показывают направление геострофических потоков в атмосфере. Геострофический поток может быть баротропным или бароклинным . Геострофическое течение можно также рассматривать как вращающуюся волну на мелководье с нулевой частотой. Принцип геострофии полезен океанографам, поскольку он позволяет им делать выводы о океанских течениях по измерениям высоты поверхности моря (с помощью комбинированной спутниковой альтиметрии и гравиметрии ) или по вертикальным профилям плотности морской воды, снятым с судов или автономных буев. Основные течения Мирового океана , такие как Гольфстрим , Течение Куросио , Течение Агульяс и Антарктическое циркумполярное течение , находятся примерно в геострофическом равновесии и являются примерами геострофических течений.

Простое объяснение

Морская вода естественным образом имеет тенденцию перемещаться из области высокого давления (или высокого уровня моря) в область низкого давления (или низкого уровня моря). Сила, толкающая воду к области низкого давления, называется силой градиента давления. В геострофическом потоке вода не движется из области высокого давления (или высокого уровня моря) в область низкого давления (или низкого уровня моря), а движется по линиям равного давления ( изобарам ). Это происходит потому, что Земля вращается. Вращение Земли приводит к появлению «силы», которую ощущает вода, движущаяся от максимума к минимуму, известной как сила Кориолиса . Сила Кориолиса действует под прямым углом к ​​потоку, и когда она уравновешивает силу градиента давления, результирующий поток известен как геострофический.

Как указано выше, направление потока - с высоким давлением справа от потока в Северном полушарии и высоким давлением слева в Южном полушарии . Направление потока зависит от полушария, потому что направление силы Кориолиса противоположно в разных полушариях.

Формулировка

Геострофические уравнения представляют собой упрощенную форму уравнений Навье – Стокса во вращающейся системе отсчета. В частности, предполагается, что нет ускорения (установившееся состояние), что нет вязкости и что давление является гидростатическим . В результате получается баланс (Gill, 1982):

${\ displaystyle fv = {\ frac {1} {\ rho}} {\ frac {\ partial p} {\ partial x}}}$

${\ displaystyle fu = - {\ frac {1} {\ rho}} {\ frac {\ partial p} {\ partial y}}}$

где - параметр Кориолиса , - плотность, - давление и - скорости в -направлениях соответственно. ${\ displaystyle f}$${\ displaystyle \ rho}$${\ displaystyle p}$${\ displaystyle u, v}$${\ displaystyle x, y}$

Одно из особых свойств геострофических уравнений состоит в том, что они удовлетворяют установившейся версии уравнения неразрывности. Это:

${\ displaystyle {\ frac {\ partial u} {\ partial x}} + {\ frac {\ partial v} {\ partial y}} = 0}$

Вращающиеся волны нулевой частоты

Уравнения, описывающие линейную вращающуюся волну на мелководье:

${\ displaystyle {\ frac {\ partial u} {\ partial t}} - fv = - {\ frac {1} {\ rho}} {\ frac {\ partial p} {\ partial x}}}$

${\ displaystyle {\ frac {\ partial v} {\ partial t}} + fu = - {\ frac {1} {\ rho}} {\ frac {\ partial p} {\ partial y}}}$

Сделанное выше предположение об установившемся режиме (без ускорения):

${\ displaystyle {\ frac {\ partial u} {\ partial t}} = {\ frac {\ partial v} {\ partial t}} = 0}$

В качестве альтернативы можно предположить волнообразную периодическую зависимость во времени:

${\ Displaystyle и \ пропто v \ пропто е ^ {я \ омега т}}$

В этом случае, если мы установили , мы вернулись к геострофическим уравнениям выше. Таким образом, геострофическое течение можно рассматривать как вращающуюся волну на мелководье с нулевой частотой. ${\ displaystyle \ omega = 0}$

Смотрите также

• Геострофический ветер

Рекомендации

• Гилл, Адриан Э. (1982), Динамика атмосферы и океана , Международная серия по геофизике, 30 , Оксфорд: Academic Press, ISBN 0-12-283522-0