Windgetriebene und geostrophische Zirkulation

Oberflächenwinde, die auf eine rotierende Erde einwirken, treiben die großen subtropischen und subpolaren Wirbel (Gyres) des Ozeans an, deren Inneres sich in nahezu geostrophischem Gleichgewicht bewegt und deren westliche Ränder sich zu schnellen Strömungen wie dem Golfstrom und dem Kuroshio verstärken.

Definition

Windgetriebene Zirkulation ist die großräumige Strömung der oberen Ozeanschichten, die durch Oberflächenwindschubspannung erzwungen wird und sich in Wirbeln organisiert, deren Inneres dem geostrophischen Gleichgewicht gehorcht – einem Gleichgewicht zwischen der horizontalen Druckgradientkraft und der Corioliskraft.

Scope

Dieses Thema behandelt den Ekman-Transport und das Ekman-Pumpen durch Windschubspannung, das Sverdrup-Gleichgewicht, das den Transport im Inneren der Wirbel bestimmt, die Dynamik westlicher Randströmungen und deren Intensivierung, die geostrophische Beziehung zwischen Strömungen und Druck- (oder Meeresoberflächenhöhen-) Gradienten sowie die Struktur wichtiger Oberflächenströmungen und Wirbel.

Core questions

• Wie erzeugt die Windschubspannung, vermittelt durch den Corioliseffekt, die beckenweiten Wirbel?
• Warum sind westliche Randströmungen wie der Golfstrom im Vergleich zur breiten inneren Strömung so schmal und schnell?
• Wie können geostrophische Strömungen aus Messungen der Dichte oder der Meeresoberflächenhöhe abgeleitet werden?
• Was bestimmt den gesamten Volumentransport eines windgetriebenen Wirbels?

Key theories

Sverdrup-Gleichgewicht

Im Inneren des Ozeans ist der über die Wassersäule integrierte meridionale Transport proportional zur Curl der Windschubspannung, wodurch der Volumentransport windgetriebener Wirbel festgelegt wird.

Westliche Intensivierung

Die Variation des Coriolis-Parameters mit der geografischen Breite zwingt den Rückstrom eines Wirbels in eine schmale, intensive westliche Randströmung, was Merkmale wie den Golfstrom erklärt.

Geostrophische Methode

Da innere Strömungen nahezu geostrophisch sind, kann die horizontale Geschwindigkeit aus der Neigung der Druckflächen, die aus Dichtedaten abgeleitet werden, relativ zu einer angenommenen Bewegungslosigkeitsebene berechnet werden.

Mechanisms

Windschubspannung treibt eine Ekman-Schicht an, deren Nettotransport senkrecht zum Wind verläuft; räumliche Variationen dieses Transports pumpen Wasser nach unten oder oben in das geostrophische Innere, wo die Vortex-Streckung durch meridionale Bewegung ausgeglichen wird (das Sverdrup-Gleichgewicht). Die Erhaltung der potenziellen Vorticity erfordert dann, dass der schließende Rückstrom an der westlichen Grenze konzentriert wird, was zu intensivierten Strömungen führt.

Clinical relevance

Die Wirbelzirkulation und ihre Randströmungen transportieren enorme Wärmemengen polwärts, was das regionale Klima, die Produktivität der Fischerei und die Schifffahrtsrouten prägt; die Meeresoberflächenhöhe aus der Satellitenaltimetrie kartiert heute den geostrophischen Fluss global in nahezu Echtzeit.

History

Die Theorie der windgetriebenen Zirkulation wurde zwischen 1947 und 1950 von Sverdrup, der den inneren Transport mit der Windschubspannungs-Curl in Beziehung setzte; Stommel, der die westliche Intensivierung durch die Variation des Coriolis-Parameters erklärte; und Munk, der diese zu einem vollständigen Wirbelmodell kombinierte, entwickelt.

Key figures

• Harald Sverdrup
• Henry Stommel
• Walter Munk

Seminal works

• stommel1948
• sverdrup1947

Frequently asked questions

Warum befindet sich der Golfstrom auf der Westseite des Atlantiks?

Die polwärtige Änderung des Corioliseffekts zwingt den Rückzweig des windgetriebenen Wirbels in einen schmalen, schnellen Strahl entlang der westlichen Grenze, der im Nordatlantik der Golfstrom ist.

Was ist eine geostrophische Strömung?

Es ist eine Strömung, bei der die Corioliskraft die horizontale Druckgradientkraft ausgleicht, sodass das Wasser entlang und nicht quer zu den Linien konstanten Drucks fließt.