Geostrofisk strøm - Geostrophic current

En nordlig-halvkugle gyre i geostrofiske balance . Paler vand er mindre tæt end mørkt vand, men mere tæt end luft; den udadgående trykgradient afbalanceres af 90 graders højre-for-strøm- corioliskraft . Strukturen vil til sidst forsvinde på grund af friktion og blanding af vandegenskaber.

En geostrofisk strøm er en havstrøm , hvor trykgradientkraften afbalanceres af Coriolis-effekten . Retningen af ​​geostrofisk strømning er parallel med isobarerne med det høje tryk til højre for strømmen på den nordlige halvkugle og det høje tryk til venstre på den sydlige halvkugle . Dette koncept er kendt fra vejrkort, hvis isobarer viser retningen for geostrofisk strømning i atmosfæren. Geostrofisk strømning kan være enten barotrop eller baroklinisk . En geostrofisk strøm kan også betragtes som en roterende lavvandsbølge med en frekvens på nul. Princippet om geostrofi er nyttigt for oceanografer, fordi det giver dem mulighed for at udlede havstrømme fra målinger af havoverfladens højde (ved kombineret satellitaltimetri og gravimetri ) eller fra lodrette profiler af havvandstæthed taget af skibe eller autonome bøjer. De store strømme af verdens oceaner , såsom Golfstrømmen , den Kuroshio Current , den Agulhas Current , og Antarktis Circumpolar Current , er alle omtrent i geostrofiske balance og er eksempler på geostrofiske strømninger.

Enkel forklaring

Havvand har en tendens til at bevæge sig fra et område med højt tryk (eller højt havniveau) til et område med lavt tryk (eller lavt havniveau). Kraften, der skubber vandet mod lavtryksområdet kaldes trykgradientkraften. I en geostrofiske flow, i stedet for vand i bevægelse fra et område med højt tryk (eller højt havniveau) til et område med lavt tryk (eller lavt havniveau), den bevæger sig i retning af ens tryk ( isobarer ). Dette sker, fordi Jorden roterer. Jordens rotation resulterer i, at en "kraft" mærkes af vandet, der bevæger sig fra det høje til det lave, kendt som Coriolis-kraften . Corioliskraften virker vinkelret på strømningen, og når den afbalancerer trykgradientkraften, er den resulterende strømning kendt som geostrofisk.

Som nævnt ovenfor er strømningsretningen med det høje tryk til højre for strømmen på den nordlige halvkugle og det høje tryk til venstre på den sydlige halvkugle . Strømningsretningen afhænger af halvkuglen, fordi Coriolis-kraftens retning er modsat i de forskellige halvkugler.

Formulering

De geostrofiske ligninger er en forenklet form for Navier – Stokes ligningerne i en roterende referenceramme. Især antages det, at der ikke er nogen acceleration (steady-state), at der ikke er nogen viskositet, og at trykket er hydrostatisk . Den resulterende balance er (Gill, 1982):

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

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

hvor er Coriolis-parameteren , er densiteten, er trykket og er hastighederne i henholdsvis -retningerne. ${\ displaystyle f}$${\ displaystyle \ rho}$${\ displaystyle p}$${\ displaystyle u, v}$${\ displaystyle x, y}$

En særlig egenskab ved de geostrofiske ligninger er, at de tilfredsstiller steady-state versionen af ​​kontinuitetsligningen. Det er:

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

Roterende bølger med nul frekvens

Ligningerne, der styrer en lineær, roterende lavvandsbølge er:

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

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

Antagelsen om steady-state fremstillet ovenfor (ingen acceleration) er:

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

Alternativt kan vi antage en bølgelignende, periodisk afhængighed i tid:

${\ displaystyle u \ propto v \ propto e ^ {i \ omega t}}$

I dette tilfælde, hvis vi indstiller , er vi vendt tilbage til de geostrofiske ligninger ovenfor. En geostrofisk strøm kan således betragtes som en roterende lavvandsbølge med en frekvens på nul. ${\ displaystyle \ omega = 0}$

Se også

• Geostrofisk vind

Referencer

• Gill, Adrian E. (1982), Atmosphere-Ocean Dynamics , International Geophysics Series, 30 , Oxford: Academic Press, ISBN 0-12-283522-0