Физическая океанография

редактировать
Изучение физических условий и физических процессов в океане Мировой океан батиметрия.

Физическая океанография - это изучение физических условий и физических процессов в океане, особенно движения и физических свойств океанических вод.

Физическая океанография - одна из нескольких поддоменов, на которые делится океанография. Другие включают биологическую, химическую и геологическую океанографию.

Физическая океанография может быть подразделена на описательную и динамическую физическую океанографию.

Описательная физическая океанография стремится исследовать океан с помощью наблюдений и сложных численных моделей, которые описывают движения флюидов как можно точнее.

Динамическая физическая океанография фокусируется в первую очередь на процессах, управляющих движением жидкостей, с упором на теоретические исследования и численные модели. Они являются частью обширной области геофизической гидродинамики (GFD), которая используется совместно с метеорологией. GFD - это подполе Гидродинамика, описывающее потоки, возникающие в пространственных и временных масштабах, на которые сильно влияет сила Кориолиса.

Содержание

  • 1 Физические параметры
  • 2 Температура, соленость и плотность
  • 3 Циркуляция
    • 3.1 Эффект Кориолиса
    • 3.2 Перенос Экмана
    • 3.3 Ленгмюровская циркуляция
    • 3.4 Граница раздела океан-атмосфера
    • 3.5 Планетарные волны
    • 3.6 Изменчивость климата
      • 3.6. 1 Ла-Нинья – Эль-Ниньо
      • 3.6.2 Антарктическая циркумполярная волна
    • 3.7 Океанские течения
      • 3.7.1 Антарктическая циркумполярная волна
      • 3.7.2 Глубокий океан
      • 3.7.3 Западная граница
  • 4 Жара поток
    • 4.1 Накопление тепла
    • 4.2 Изменение уровня моря
  • 5 Быстрые изменения
    • 5.1 Приливы
    • 5.2 Цунами
    • 5.3 Поверхностные волны
  • 6 См. также
  • 7 Ссылки
  • 8 Дополнительная литература
  • 9 Внешние ссылки

Физическая обстановка

Внешнее изображение
image icon Пространственные и временные масштабы физических океанографических процессов.
Перспективный вид морского дна Атлантического океана и Карибского моря. Пурпурное морское дно в центре изображения - это желоб Пуэрто-Рико.

Примерно 97% воды на планете находится в ее океанах, и океаны являются источником подавляющего большинства водяного пара, который конденсируется в атмосфере и выпадает в виде дождя или снега на континентах. Огромная теплоемкость океанов смягчает климат планеты, а поглощение ею различных газов влияет на состав атмосферы. Влияние океана распространяется даже на состав вулканических горных пород через морское дно метаморфизм, а также на вулканические газы и магмы, образовавшиеся в зонах субдукции .

С уровня моря океаны намного глубже, чем континенты высокие; исследование гипсографической кривой Земли показывает, что средняя высота суши Земли составляет всего 840 метров (2760 футов), в то время как средняя глубина океана составляет 3800 метров (12 500 футов). Хотя это кажущееся несоответствие велико как для суши, так и для моря, соответствующие экстремумы, такие как горы и траншеи, встречаются редко.

Площадь, объем плюс средняя и максимальная глубины океанов ( без прилегающих морей)
ТелоПлощадь (10 км²)Объем (10 км³)Средняя глубина (м)Максимум (м)
Тихий океан 165,2707,64282-11033
Атлантический океан 82,4323,63926-8605
Индийский океан 73,4291,03963-8047
Южный океан 20,3-7235
Северный Ледовитый океан 14,11038
Карибское море 2,8-7686

Температура, соленость и плотность

WOA поверхностная плотность

Поскольку подавляющая часть объема Мирового океана - глубоководная, средняя температура морской воды низкая; примерно 75% объема океана имеет температуру от 0 ° до 5 ° C (Pinet 1996). Такой же процент приходится на диапазон солености 34–35 ppt (3,4–3,5%) (Pinet 1996). Однако есть еще немало вариаций. Температура поверхности может колебаться от ниже нуля около полюсов до 35 ° C в ограниченных тропических морях, а соленость может варьироваться от 10 до 41 ppt (1,0–4,1%).

Вертикальную структуру температуры можно разделить на три основных слоя: поверхностный смешанный слой, где градиенты низкие, термоклин, где градиенты высокие, и плохо стратифицированная бездна.

С точки зрения температуры слои океана сильно зависят от широты и ; термоклин ярко выражен в тропиках, но отсутствует в полярных водах (Marshak 2001). галоклин обычно находится у поверхности, где испарение увеличивает соленость в тропиках, или талая вода разбавляет его в полярных регионах. Эти колебания солености и температуры с глубиной изменяют плотность морской воды, создавая пикноклин.

Циркуляция

Зависящая от плотности термохалинная циркуляция

Энергия для циркуляции океана (и для циркуляции атмосферы) поступает от солнечное излучение и гравитационная энергия солнца и луны. Количество солнечного света, поглощаемого поверхностью, сильно зависит от широты, оно больше на экваторе, чем на полюсах, и это вызывает движение жидкости как в атмосфере, так и в океане, которое действует для перераспределения тепла от экватора к полюсам, тем самым снижая температуру. градиенты, которые существовали бы в отсутствие движения жидкости. Возможно, три четверти этого тепла уносится с атмосферой; остальное уносится в океане.

Атмосфера нагревается снизу, что приводит к конвекции, наиболее сильным выражением которой является циркуляция Хэдли. Напротив, океан нагревается сверху, что подавляет конвекцию. Вместо этого глубоководные океанические воды образуются в полярных регионах, где холодные соленые воды опускаются в довольно ограниченных областях. Это начало термохалинной циркуляции.

Океанические течения в значительной степени вызваны напряжением приземного ветра; следовательно, крупномасштабная атмосферная циркуляция важна для понимания циркуляции океана. Циркуляция Хэдли приводит к восточным ветрам в тропиках и западным ветрам в средних широтах. Это приводит к медленному направленному к экватору потоку на большей части субтропического океанского бассейна (баланс Свердрупа ). Возвратный поток возникает в интенсивном узком направленном к полюсу западном пограничном течении. Как и атмосфера, океан гораздо шире, чем глубина, и поэтому горизонтальное движение в целом намного быстрее, чем вертикальное. В южном полушарии есть непрерывный пояс океана, и, следовательно, западные ветры средних широт вызывают сильное антарктическое циркумполярное течение. В северном полушарии массивы суши препятствуют этому, и циркуляция океана разбита на более мелкие круговороты в бассейнах Атлантики и Тихого океана.

Эффект Кориолиса

Эффект Кориолиса приводит к отклонению потоков жидкости (вправо в северном полушарии и влево в южном полушарии). Это оказывает огромное влияние на течение Мирового океана. В частности, это означает, что поток идет вокруг систем высокого и низкого давления, что позволяет им сохраняться в течение длительных периодов времени. В результате крошечные колебания давления могут создавать измеримые токи. Например, уклон в одну миллионную часть высоты поверхности моря приведет к течению 10 см / с в средних широтах. Тот факт, что эффект Кориолиса является наибольшим на полюсах и слабым на экваторе, приводит к резким, относительно устойчивым течениям на западной границе, которые отсутствуют на восточных границах. Также см. Эффекты вторичной циркуляции.

Транспорт Экмана

Транспорт Экмана приводит к чистому переносу поверхностной воды на 90 градусов вправо от ветра в Северном полушарии и на 90 градусов влево от ветра в Южном полушарии.. Когда ветер дует через поверхность океана, он «захватывает» тонкий слой воды на поверхности. В свою очередь, этот тонкий слой воды передает энергию движения тонкому слою воды под ним и так далее. Однако из-за эффекта Кориолиса направление движения слоев воды медленно перемещается все дальше и дальше вправо по мере того, как они становятся глубже в Северном полушарии, и влево в Южном полушарии. В большинстве случаев самый нижний слой воды, подверженный воздействию ветра, находится на глубине 100-150 м и движется примерно на 180 градусов, что полностью противоположно направлению ветра. В целом чистый перенос воды будет составлять 90 градусов от исходного направления ветра.

Циркуляция Ленгмюра

Циркуляция Ленгмюра приводит к появлению тонких видимых полос, называемых валками на поверхности океана, параллельными направлению, в котором дует ветер. Если ветер дует более 3 м с, он может создавать параллельные валки, чередующиеся восходящие и нисходящие потоки на расстоянии примерно 5–300 м друг от друга. Эти валки образованы соседними яйцевидными ячейками с водой (простирающимися до глубины около 6 м (20 футов)), чередующимися по часовой стрелке и против часовой стрелки. В зонах конвергенции накапливается мусор, пена и водоросли, а в зонах расхождения планктон улавливается и выносится на поверхность. Если в зоне дивергенции много планктона, рыб часто привлекает их кормление.

Интерфейс океана и атмосферы

Ураган Изабель к востоку от Багамских островов 15 сентября 2003 г.

На границе раздела океан-атмосфера океан и атмосфера обмениваются потоками тепла, влаги и количества движения.

Тепло

Важными элементами тепла на поверхности являются поток явного тепла , поток скрытого тепла, входящее солнечное излучение и баланс длинноволнового (инфракрасного ) излучения. В общем, тропические океаны будут иметь тенденцию демонстрировать чистый прирост тепла, а полярные океаны - чистую потерю в результате чистой передачи энергии в океанах к полюсам.

Большая теплоемкость океанов смягчает климат районов, прилегающих к океанам, что приводит к морскому климату в таких местах. Это может быть результатом накопления тепла летом и его сброса зимой; или переноса тепла из более теплых мест: особенно ярким примером этого является Западная Европа, которая нагревается, по крайней мере, частично за счет североатлантического дрейфа.

Импульс

быть порядка метров в секунду; океанские течения порядка сантиметров в секунду. Следовательно, с точки зрения атмосферы океан можно считать практически неподвижным; с точки зрения океана, атмосфера создает сильное ветровое напряжение на его поверхности, и это вызывает крупномасштабные течения в океане.

Под действием напряжения ветра ветер генерирует волны на поверхности океана ; более длинные волны имеют фазовую скорость, стремящуюся к скорости ветра. Импульс приземных ветров передается в поток энергии поверхностными волнами океана. Повышенная шероховатость поверхности океана из-за наличия волн меняет ветер у поверхности.

Влага

Океан может набрать влагу из дождя или потерять ее в результате испарения. Потеря испарения делает океан более соленым; например, и Персидский залив имеют сильные потери при испарении; образовавшийся шлейф плотной соленой воды можно проследить через Гибралтарский пролив в Атлантический океан. Одно время считалось, что испарение / осадки было основным двигателем океанских течений; теперь известно, что это лишь очень незначительный фактор.

Планетарные волны

Волны Кельвина

A Волна Кельвина - это любая прогрессивная волна, которая проходит между двумя границами или противоположными силами (обычно между силой Кориолиса и береговая линия или экватор ). Есть два типа: прибрежные и экваториальные. Волны Кельвина вызываются гравитацией и недисперсными. Это означает, что волны Кельвина могут сохранять свою форму и направление в течение длительных периодов времени. Обычно они возникают из-за внезапного сдвига ветра, например, смены пассатов в начале Эль-Ниньо - Южное колебание.

Прибрежные волны Кельвина следуют береговой линии. и всегда будет распространяться в против часовой стрелки направлении в Северном полушариибереговой линией справа от направления движения) и по часовой стрелке в Южном полушарии.

Экваториальные волны Кельвина распространяются на восток в Северном и Южном полушариях, используя экватор в качестве a гид.

Известно, что волны Кельвина имеют очень высокую скорость, обычно около 2–3 метров в секунду. Они имеют длины волн тысяч километров и амплитуды в десятках метров.

Волны Россби

Волны Россби, или планетарные волны - огромные медленные волны, генерируемые в тропосфере из-за разницы температур между океан и континенты. Их основная восстанавливающая сила - это изменение силы Кориолиса с широтой. Их волновые амплитуды обычно составляют десятки метров и очень большие длины волн. Обычно они встречаются в низких или средних широтах.

Существует два типа волн Россби: баротропная и бароклинная. Баротропные волны Россби имеют самые высокие скорости и не меняются по вертикали. Бароклинные волны Россби намного медленнее.

Особой отличительной чертой волн Россби является то, что фазовая скорость каждой отдельной волны всегда имеет западную составляющую, но групповая скорость может быть в любом направлении. Обычно более короткие волны Россби имеют групповую скорость, направленную на восток, а более длинные - групповую скорость на запад.

Изменчивость климата

декабрь 1997 г., карта аномалии температуры поверхности океана [° C] во время последнего сильного Эль-Ниньо

Взаимодействие циркуляции океана, которая служит своего рода тепловым насосом, и биологических эффектов например, концентрация углекислого газа может привести к глобальным климатическим изменениям в масштабе времени в десятилетия. Известные климатические колебания, возникающие в результате этих взаимодействий, включают тихоокеанские десятилетние колебания, североатлантические колебания и арктические колебания. Океанический процесс термохалинной циркуляции является важным компонентом перераспределения тепла по земному шару, и изменения в этой циркуляции могут иметь серьезные последствия для климата.

Ла-Нинья – Эль-Ниньо

и

Антарктическая циркумполярная волна

Это связанная атмосфера океана / волна, которая окружает Южный океан примерно каждые восемь лет. Поскольку это явление волны 2 (есть два пика и две впадины в круге широты ), в каждой фиксированной точке пространства виден сигнал с периодом в четыре года. Волна движется на восток в направлении Антарктического циркумполярного течения.

Океанические течения

Среди наиболее важных океанских течений :

Антарктическое циркумполярное течение

Океанское тело, окружающее Антарктика в настоящее время является единственным сплошным водоемом с широкой полосой открытой воды. Он соединяет между собой Атлантический, Тихий и Индийский океаны и обеспечивает непрерывный простирание преобладающим западным ветрам для значительного увеличения амплитуд волн. Принято считать, что эти преобладающие ветры в первую очередь ответственны за перенос циркумполярных течений. Сейчас считается, что этот ток изменяется со временем, возможно, колебательным образом.

Глубокий океан

В Норвежском море преобладает испарительное охлаждение, и тонущая водная масса Североатлантические глубокие воды (NADW), заполняет бассейн и разливается на юг через трещины в подводных порогах, которые соединяют Гренландию, Исландию и Великобританию. Затем он течет вдоль западной границы Атлантики, причем некоторая часть потока движется на восток вдоль экватора, а затем к полюсу в океанические бассейны. НАДВ увлекается циркумполярным течением и прослеживается в Индийском и Тихоокеанском бассейнах. Однако поток из бассейна Северного Ледовитого океана в Тихий океан блокируется узкими отмелями Берингова пролива.

Также см. морская геология об этом исследует геологию дна океана, включая тектонику плит, которые создают глубокие океанические желоба.

Западная граница

Идеализированный субтропический океанский бассейн, вызванный ветрами, вращающимися вокруг систем с высоким давлением (антициклонических), таких как Азорско-Бермудское возвышение, развивает круговорот циркуляции с медленной устойчивые потоки к экватору внутри. Как обсуждал Генри Стоммел, эти потоки уравновешиваются в районе западной границы, где развивается тонкий быстрый полюсный поток, называемый западным пограничным течением. Течение в реальном океане более сложное, но Гольфстрим, Агульхас и Куросио являются примерами таких течений. Они узкие (примерно 100 км в поперечнике) и быстрые (примерно 1,5 м / с).

Экваториальные западные граничные токи возникают в тропических и полярных регионах, например Восточно-Гренландское и Лабрадорское течения в Атлантическом океане и Оясио. Они вызваны циркуляцией ветров около низкого давления (циклонический).

Гольфстрим

Гольфстрим вместе с его северным продолжением, Североатлантическое течение, представляет собой мощное, теплое и быстрое течение Атлантического океана, берущее начало в Мексиканском заливе, выходит через Флоридский пролив и следует вдоль восточного побережья Соединенных Штатов и Ньюфаундленда на северо-восток, прежде чем пересечь Атлантический океан.

Куросио

Течение Куросио - это океанское течение, обнаруженное в западной части Тихого океана у восточного побережья Тайваня и текущее на северо-восток мимо Японии, где он сливается с восточным дрейфом Северо-Тихоокеанского течения. Он аналогичен Гольфстриму в Атлантическом океане, переносящему теплые тропические воды на север в сторону полярного региона.

Тепловой поток

Накопление тепла

Тепловой поток океана - это турбулентная и сложная система, в которой для измерения скорости используются такие методы измерения атмосферы, как вихревая ковариация теплопередачи, выраженной в единицах петаватт. Тепловой поток - это поток энергии на единицу площади в единицу времени. Большая часть накопления тепла на Земле находится в ее морях, а меньшие доли теплопередачи в таких процессах, как испарение, излучение, диффузия или поглощение морским дном. Большая часть потока тепла в океане происходит через адвекцию или движение океанских течений. Например, считается, что большая часть движения теплой воды в южной части Атлантического океана берет свое начало в Индийском океане. Другой пример адвекции - неэкваториальный нагрев Тихого океана, который является результатом подземных процессов, связанных с атмосферными антиклиналями. Недавние наблюдения за потеплением придонной воды Антарктики в Южном океане вызывают озабоченность у ученых-океанологов, поскольку изменения в придонной воде повлияют на течения, питательные вещества и биоту в других местах. Международная осведомленность о глобальном потеплении сосредоточила научные исследования на этой теме с момента создания в 1988 г. Межправительственной группы экспертов по изменению климата. Улучшенные наблюдения за океаном, приборы, теория и финансирование увеличили объем научных отчетов по региональным и глобальным проблемам, связанным с жарой.

Изменение уровня моря

мареографы и спутниковая альтиметрия предполагают повышение уровня моря на 1,5–3 мм / год за последние 100 лет.

IPCC предсказывает, что к 2081-2100 гг. глобальное потепление приведет к повышению уровня моря с 260 до 820 мм.

Быстрые колебания

Приливы

Залив Фанди - это залив, расположенный на Атлантическом побережье Северной Америки, на северо-восточном конце Залив Мэн между провинциями Нью-Брансуик и Новой Шотландией.

Подъем и падение уровня Мирового океана из-за приливных воздействий является ключевым фактором влияние на прибрежные районы. Океанские приливы на планете Земля создаются гравитационными эффектами Солнца и Луны. Приливы, производимые этими двумя телами, примерно сопоставимы по величине, но орбитальное движение Луны приводит к приливным паттернам, которые меняются в течение месяца.

Приливы и отливы создают циклическое течение вдоль побережья, и сила этого течения может быть весьма значительной вдоль узких эстуариев. Прибывающие приливы также могут образовывать приливную скважину вдоль реки или узкого залива, поскольку течение воды против течения приводит к появлению волны на поверхности.

Приливы и течения (Wyban 1992) ясно иллюстрируют влияние этих природных циклов на образ жизни и средства к существованию коренных гавайцев, ухаживающих за прибрежными рыбными прудами. Aia ke ola ka hana значение... Жизнь в труде.

Приливный резонанс возникает в заливе Фанди с момента, когда большая волна проходит от устья залива до противоположный конец, затем отражение и возвращение к устью залива совпадает с приливным ритмом, вызывающим самые высокие в мире приливы.

Поскольку поверхностный прилив колеблется по рельефу, например, на подводных горах или хребтах, он генерирует внутренние волны с приливной частотой, которые известны как внутренние приливы.

Цунами

Серия поверхностных волн может возникать из-за крупномасштабного смещения океанской воды. Они могут быть вызваны подводными оползнями, деформациями морского дна из-за землетрясений или ударом большого метеорита.

. Волны могут распространяться со скоростью до до нескольких сотен км / час по поверхности океана, но в середине океана они едва заметны при длинах волн, охватывающих сотни километров.

Цунами, первоначально называвшиеся приливными волнами, были переименованы, потому что они не связаны с приливами. Они рассматриваются как волны на мелководье или волны в воде глубиной менее 1/20 их длины волны. Цунами имеют очень большие периоды, высокую скорость и большую высоту волн.

Эти волны в первую очередь воздействуют на прибрежную береговую линию, поскольку большие объемы океанской воды циклически перемещаются вглубь суши, а затем уходят в море. Это может привести к значительным изменениям в районах береговой линии, где волны ударяются с достаточной энергией.

Цунами, произошедшее в заливе Литуйя, Аляска, 9 июля 1958 года, достигло 520 м (1710 футов) в высоту и стало самым большим цунами из когда-либо измеренных, почти на 90 м (300 футов) выше чем Sears Tower в Чикаго и примерно на 110 м (360 футов) выше, чем бывший Всемирный торговый центр в Нью-Йорке.

Поверхностные волны

Ветер генерирует поверхностные волны океана, которые оказывают большое влияние на морские сооружения, суда, прибрежные эрозию и отложения, а также гавани. После генерации ветром поверхностные волны океана могут распространяться (как зыбь ) на большие расстояния.

См. Также

  • icon Портал океанов
  • icon Портал цунами

Ссылки

Дополнительная литература

  • Адриан Э. Гилл (1982). Динамика атмосферы и океана. Сан-Диего: Academic Press. ISBN 0-12-283520-4.
  • Самельсон, Р. М. (2011) Теория крупномасштабной циркуляции океана. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. DOI: 10.1017 / CBO9780511736605.
  • Мори, Мэтью Ф. (1855). Физическая география морей и ее метеорология.
  • Стюарт, Роберт Х. (2007). Введение в физическую океанографию (PDF). Колледж-Стейшн: Техасский университет AM. OCLC 169907785.
  • Уибан, Кэрол Араки (1992). Прилив и течение: Рыбные пруды на Гавайях. Гонолулу: Гавайский университет Press. ISBN 0-8248-1396-0.

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-06-02 04:38:22
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте