Przypływ wewnętrzny

Pływy wewnętrzne są generowane, gdy pływy powierzchniowe przesuwają uwarstwioną wodę w górę iw dół po pochyłej topografii, co wytwarza falę we wnętrzu oceanu. Tak więc pływy wewnętrzne są falami wewnętrznymi przy częstotliwości pływów. Innym głównym źródłem fal wewnętrznych jest wiatr, który wytwarza fale wewnętrzne bliskie częstotliwości bezwładności. Kiedy mała działka wody zostanie przesunięta z położenia równowagi, powróci albo w dół pod wpływem grawitacji, albo w górę dzięki wyporowi. Działka wodna przekroczy swoją pierwotną pozycję równowagi i to zaburzenie wywoła wewnętrzną falę grawitacyjną. Munk (1981) zauważa: „Fale grawitacyjne we wnętrzu oceanu są tak powszechne, jak fale na powierzchni morza – może nawet bardziej, ponieważ nikt nigdy nie zgłosił wewnętrznego spokoju”.

Proste wyjaśnienie

Rysunek 1: Działki wodne w całym słupie wody poruszają się razem z przypływem powierzchniowym (u góry), podczas gdy wody płytkie i głębokie poruszają się w przeciwnych kierunkach podczas przypływu wewnętrznego (u dołu). Przemieszczenie powierzchni i przemieszczenie granicy faz są takie same dla fali powierzchniowej (góra), podczas gdy dla fali wewnętrznej przemieszczenia powierzchni są bardzo małe, podczas gdy przemieszczenia granicy faz są duże (dół). Ta figura jest zmodyfikowaną wersją tej, która pojawiła się w Gill (1982).

Przypływ powierzchniowy rozchodzi się jako fala , w której działki wody w całym słupie wody oscylują w tym samym kierunku w danej fazie (tj. w korycie lub grzbiecie, ryc. 1, u góry). Oznacza to, że podczas gdy sama forma fali powierzchniowej może rozprzestrzeniać się po powierzchni wody, same cząsteczki płynu są ograniczone do stosunkowo małego sąsiedztwa. Płyn porusza się w górę, gdy przechodzi grzbiet fali powierzchniowej, i w dół, gdy przechodzi dolina. Ruch boczny służy jedynie do wyrównania różnicy wysokości w słupie wody między grzbietem a doliną fali: gdy powierzchnia podnosi się na szczycie słupa wody, woda przemieszcza się poprzecznie do wewnątrz od sąsiednich słupów wody poruszających się w dół, aby uzupełnić dla zmiany objętości słupa wody. Chociaż to wyjaśnienie koncentruje się na ruchu wody oceanicznej, opisywane zjawisko jest z natury falą międzyfazową, z lustrzanymi procesami zachodzącymi po obu stronach granicy faz między dwoma płynami: wodą oceaniczną i powietrzem. Najprościej mówiąc, falę wewnętrzną można traktować jako falę międzyfazową (ryc. 1 na dole) na styku dwóch warstw oceanów różniących się zmianą właściwości wody, takich jak ciepła warstwa powierzchniowa i zimna głęboka warstwa oddzielona termokliną. Gdy przypływ powierzchniowy rozchodzi się między tymi dwiema warstwami płynu na powierzchni oceanu, homologiczna fala wewnętrzna naśladuje go poniżej, tworząc przypływ wewnętrzny. Ruch międzyfazowy między dwiema warstwami oceanu jest duży w porównaniu z ruchem powierzchniowym, ponieważ chociaż podobnie jak w przypadku fal powierzchniowych, siłą przywracającą fale wewnętrzne i pływy nadal jest grawitacja, jej efekt jest mniejszy, ponieważ gęstości dwóch warstw są względnie podobne w porównaniu z duża różnica gęstości na granicy powietrze-morze. Zatem wewnątrz oceanu możliwe są większe przemieszczenia niż na powierzchni morza.

Pływy występują głównie w okresach dziennych i półpołudniowych. Główny składnik księżycowego półpołudnia jest znany jako M2 i generalnie ma największe amplitudy. (Zobacz linki zewnętrzne, aby uzyskać więcej informacji).

Lokalizacja

Największe pływy wewnętrzne są generowane na stromych, śróddocealnych topografiach, takich jak Hawaiian Ridge, Tahiti, Macquarie Ridge i podwodne grzbiety w Cieśninie Luzon. Zbocza kontynentalne, takie jak Australijski Północno-Zachodni Szelf, również generują duże pływy wewnętrzne. Te wewnętrzne pływy mogą rozprzestrzeniać się na lądzie i rozpraszać podobnie jak fale powierzchniowe. Lub wewnętrzne pływy mogą rozchodzić się od topografii do otwartego oceanu. Szacuje się, że w przypadku wysokiej, stromej topografii śróddoku, takiej jak Grzbiet Hawajski, około 85% energii pływów wewnętrznych rozchodzi się do głębokiego oceanu, a około 15% energii jest tracone w promieniu około 50 km od generacji. strona. Utrata energii przyczynia się do turbulencji i mieszania w pobliżu miejsc wytwarzania. Nie jest jasne, gdzie energia opuszczająca miejsce wytwarzania jest rozpraszana, ale istnieją 3 możliwe procesy: 1) wewnętrzne pływy rozpraszają się i/lub pękają w odległej topografii śróddoku, 2) interakcje z innymi falami wewnętrznymi usuwają energię z wewnętrznego przypływu lub 3) przypływy wewnętrzne przybierają i załamują się na szelfach kontynentalnych.

Propagacja i rozpraszanie

Rysunek 2: Wysokość powierzchni morza wewnętrznego pływu, która jest zgodna z fazą pływu powierzchniowego (tj. grzbiety pojawiające się w określonym miejscu w określonym czasie, które są takie same w stosunku do pływu powierzchniowego) można wykryć za pomocą satelity (u góry). (Trasa satelity jest powtarzana co około 10 dni, więc sygnały pływów M2 są przesuwane na dłuższe okresy z powodu aliasingu .) Najdłuższe fale pływów wewnętrznych mają długość około 150 km w pobliżu Hawajów, a kolejne najdłuższe fale mają długość około 75 km. Przemieszczenia powierzchni spowodowane przypływem wewnętrznym są wykreślone jako faliste czerwone linie z amplitudami wykreślonymi prostopadle do torów naziemnych satelity (czarne linie). Rycina jest adaptacją Johnstona i in. (2003).

Briscoe (1975) zauważył, że „nie możemy jeszcze w zadowalający sposób odpowiedzieć na pytania: skąd pochodzi wewnętrzna energia fal, dokąd zmierza i co dzieje się z nią po drodze?”. mając większą wiedzę na temat pływów wewnętrznych i generowania fal prawie bezwładnościowych, Garrett i Kunze (2007) zauważyli 33 lata później, że „Los wypromieniowanych [wewnętrznych pływów na dużą skalę] jest nadal niepewny. Mogą rozpraszać się na [fale o mniejszej skali] przy dalszym kontakcie z wyspami lub wzburzonym dnem morskim lub przenosić swoją energię na fale wewnętrzne o mniejszej skali we wnętrzu oceanu” lub „rozbijać się na odległych zboczach kontynentalnych”. Obecnie wiadomo, że większość wewnętrznej energii pływów generowanych w wysokiej, stromej topografii śróddoku promieniuje w postaci wewnętrznych fal o dużej skali. Ta wypromieniowana wewnętrzna energia pływów jest jednym z głównych źródeł energii w głębokim oceanie, stanowiącym mniej więcej połowę energii dostarczanej przez wiatr. Szersze zainteresowanie pływami wewnętrznymi jest spowodowane ich wpływem na wielkość i przestrzenną niejednorodność mieszania, co z kolei ma wpływ pierwszego rzędu na południkową cyrkulację zwrotną.

Wewnętrzna energia pływów w jednym okresie pływów przechodząca przez obszar prostopadły do ​​kierunku propagacji nazywana jest strumieniem energii i jest mierzona w watach / m . Strumień energii w jednym punkcie można zsumować na całej głębokości – jest to strumień energii zintegrowany z głębokością i jest mierzony w watach/m. Hawaiian Ridge wytwarza zintegrowane z głębokością strumienie energii o mocy dochodzącej do 10 kW/m. Fale o najdłuższej długości fali są najszybsze i przenoszą większość strumienia energii. W pobliżu Hawajów typowa długość fali najdłuższego pływu wewnętrznego wynosi około 150 km, podczas gdy najdłuższa długość fali wynosi około 75 km. Fale te nazywane są odpowiednio trybem 1 i trybem 2. Chociaż ryc. 1 pokazuje, że nie ma ekspresji wewnętrznego przypływu na powierzchni morza, w rzeczywistości występuje przemieszczenie o kilka centymetrów. Te przejawy pływów wewnętrznych na powierzchni morza przy różnych długościach fal można wykryć za pomocą Topex/Poseidon lub Jason-1 (ryc. 2). W pobliżu 15 N, 175 W na grzbiecie Line Islands, wewnętrzne pływy trybu 1 rozpraszają się od topografii, prawdopodobnie tworząc turbulencje i mieszanie oraz wytwarzając wewnętrzne pływy trybu 2 o mniejszej długości fali.

Nieunikniony wniosek jest taki, że energia jest tracona z przypływu powierzchniowego do wewnętrznego przypływu w topografii środkowego oceanu i na szelfach kontynentalnych, ale energia przypływu wewnętrznego niekoniecznie jest tracona w tym samym miejscu. Wewnętrzne pływy mogą rozprzestrzeniać się na tysiące kilometrów lub więcej, zanim rozbiją i zmieszają głębinowy ocean.

Mieszanie otchłani i południkowa cyrkulacja zwrotna

Znaczenie wewnętrznych pływów i fal wewnętrznych ogólnie wiąże się z ich załamywaniem, rozpraszaniem energii i mieszaniem głębokiego oceanu. Gdyby w oceanie nie było mieszania, głęboki ocean byłby zimnym, stojącym basenem z cienką, ciepłą warstwą powierzchniową. Podczas gdy południkowa cyrkulacja wywracająca (nazywana również cyrkulacją termohalinową ) redystrybuuje około 2 PW ciepła z tropików do regionów polarnych, źródłem energii dla tego przepływu jest mieszanie wewnętrzne, które jest stosunkowo dużo mniejsze - około 2 TW. Sandstrom (1908) wykazał, że płyn, który jest zarówno ogrzewany, jak i chłodzony na swojej powierzchni, nie może rozwinąć głębokiej cyrkulacji zwrotnej. Większość modeli globalnych uwzględnia jednolite mieszanie w całym oceanie, ponieważ nie uwzględniają one ani nie rozwiązują wewnętrznych przepływów pływowych.

Jednak modele zaczynają teraz obejmować zmienne przestrzennie mieszanie związane z wewnętrznymi pływami i szorstką topografią, w której są generowane, oraz odległą topografię, w której mogą się załamać. Wunsch i Ferrari (2004) opisują globalny wpływ przestrzennie niejednorodnego mieszania w pobliżu topografii śróddoceanu: „Wiele linii dowodów, z których żadna nie jest kompletna, sugeruje, że ogólna cyrkulacja oceaniczna, daleka od bycia silnikiem cieplnym, jest prawie całkowicie zarządzana przez wymuszanie pola wiatrowego, a wtórnie przez pływy głębinowe… Nieunikniony obecnie wniosek, że na większości oceanów znaczące „pionowe” mieszanie ogranicza się do topograficznie złożonych obszarów granicznych, sugeruje potencjalnie radykalnie inną cyrkulację wewnętrzną niż jest to możliwe przy jednolitym mieszaniu. Kwestią sporną jest to, czy modele cyrkulacji oceanicznej… ani wyraźnie nie uwzględniają wkładu energii do systemu, ani nie uwzględniają przestrzennej zmienności w mieszaniu, mają jakiekolwiek fizyczne znaczenie w zmienionych warunkach klimatycznych”. Istnieje ograniczone zrozumienie „źródeł kontrolujących energię fal wewnętrznych w oceanie i szybkości, z jaką jest ona rozpraszana” i dopiero teraz opracowuje się pewne „parametryzacje mieszania generowanego przez interakcję fal wewnętrznych, wiry mezoskalowe , fluktuacje barotropowe o wysokiej częstotliwości i inne ruchy na pochyłej topografii”.

Przypływy wewnętrzne na plaży

Rysunek 3: Wewnętrzny przypływ powoduje duże pionowe różnice temperatur na molo badawczym w Scripps Institution of Oceanography . Czarna linia pokazuje wysokość przypływu powierzchniowego względem średniej dolnej niskiej wody (MLLW). Rysunek dostarczony przez Erica Terrilla, Scripps Institution of Oceanography przy wsparciu finansowym Biura Badań Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych

Pływy wewnętrzne mogą również rozpraszać się na zboczach i szelfach kontynentalnych lub nawet sięgać w promieniu 100 m od plaży (ryc. 3). Pływy wewnętrzne przenoszą impulsy zimnej wody w kierunku brzegu i powodują duże pionowe różnice temperatur. Kiedy fale powierzchniowe pękają, zimna woda jest mieszana w górę, przez co woda jest zimna dla surferów, pływaków i innych plażowiczów. Wody powierzchniowe w strefie surfowania mogą zmienić się o około 10 ° C w ciągu około godziny.

Pływy wewnętrzne, mieszanie wewnętrzne i wzmocnienie biologiczne

Wewnętrzne pływy generowane przez półpołudniowe prądy pływowe uderzające w strome grzbiety łodzi podwodnych w przejściach wyspowych, np. Przejście Mona lub w pobliżu krawędzi szelfu, mogą nasilać turbulentne rozpraszanie i wewnętrzne mieszanie w pobliżu miejsca wytwarzania. Rozwój niestabilności Kelvina-Helmholtza podczas załamania wewnętrznego przypływu może wyjaśniać tworzenie się plam o wysokiej dyfuzyjności, które generują pionowy strumień azotanów ( NO 3 − ) do strefy foticznej i mogą podtrzymywać nową produkcję lokalnie. Inny mechanizm wyższego strumienia azotanów podczas przypływów wiosennych wynika z impulsów silnego turbulentnego rozpraszania związanych z wewnętrznymi solitonowymi o wysokiej częstotliwości . Niektóre wewnętrzne pakiety solitonów są wynikiem nieliniowej ewolucji przypływu wewnętrznego.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Internal_tide&oldid=1121215481 ”