Tuần hoàn do gió và tuần hoàn địa đối lưu

Gió bề mặt, tác động lên Trái Đất đang quay, điều khiển các hoàn lưu cận nhiệt đới và cận cực lớn của đại dương, với phần bên trong của chúng chảy gần như cân bằng địa đối lưu và ranh giới phía tây của chúng tăng cường thành các dòng chảy xiết như Dòng Vịnh và Kuroshio.

Definition

Tuần hoàn do gió là dòng chảy quy mô lớn ở lớp nước mặt đại dương được thúc đẩy bởi ứng suất gió bề mặt, được tổ chức thành các hoàn lưu mà phần bên trong của chúng tuân theo cân bằng địa đối lưu — một sự cân bằng giữa lực gradient áp suất ngang và lực Coriolis.

Scope

Chủ đề này bao gồm sự vận chuyển và bơm Ekman do ứng suất gió, cân bằng Sverdrup thiết lập sự vận chuyển hoàn lưu bên trong, động lực học của các dòng chảy biên phía tây và sự tăng cường của chúng, mối quan hệ địa đối lưu giữa dòng chảy và gradient áp suất (hoặc độ cao mặt biển), và cấu trúc của các dòng chảy và hoàn lưu bề mặt chính.

Core questions

• Ứng suất gió, được điều hòa bởi hiệu ứng Coriolis, thiết lập các hoàn lưu quy mô bồn địa như thế nào?
• Tại sao các dòng chảy biên phía tây như Dòng Vịnh lại hẹp và nhanh như vậy so với dòng chảy rộng lớn bên trong?
• Làm thế nào có thể suy ra các dòng chảy địa đối lưu từ các phép đo mật độ hoặc độ cao mặt biển?
• Điều gì xác định tổng lượng vận chuyển của một hoàn lưu do gió?

Key theories

Cân bằng Sverdrup

Trong lòng đại dương, sự vận chuyển kinh tuyến được tích phân trên cột nước tỷ lệ thuận với độ xoáy của ứng suất gió, cố định lượng vận chuyển của các hoàn lưu do gió.

Sự tăng cường về phía tây

Sự biến đổi của tham số Coriolis theo vĩ độ buộc dòng chảy hoàn lưu của một hoàn lưu thành một dòng chảy hẹp, mạnh mẽ dọc theo ranh giới phía tây, mà ở Bắc Đại Tây Dương là Dòng Vịnh.

Phương pháp địa đối lưu

Vì các dòng chảy bên trong gần như địa đối lưu, vận tốc ngang có thể được tính toán từ độ dốc của các bề mặt áp suất được suy ra từ dữ liệu mật độ, tương đối so với một mức không chuyển động giả định.

Mechanisms

Ứng suất gió tạo ra một lớp Ekman mà sự vận chuyển ròng của nó vuông góc với gió; sự biến đổi không gian của sự vận chuyển này bơm nước xuống hoặc lên vào phần bên trong địa đối lưu, nơi sự kéo giãn xoáy được cân bằng bởi chuyển động kinh tuyến (cân bằng Sverdrup). Bảo toàn xoáy thế sau đó yêu cầu dòng chảy hoàn lưu đóng phải tập trung ở ranh giới phía tây, tạo ra các dòng chảy tăng cường.

Clinical relevance

Tuần hoàn hoàn lưu và các dòng chảy biên của nó vận chuyển một lượng lớn nhiệt về phía cực, định hình khí hậu khu vực, năng suất thủy sản và các tuyến đường vận chuyển; độ cao mặt biển từ đo độ cao vệ tinh hiện nay lập bản đồ dòng chảy địa đối lưu toàn cầu gần như theo thời gian thực.

History

Lý thuyết về tuần hoàn do gió được tổng hợp từ năm 1947 đến 1950 bởi Sverdrup, người đã liên hệ sự vận chuyển bên trong với độ xoáy của ứng suất gió; Stommel, người đã giải thích sự tăng cường về phía tây thông qua sự biến đổi của tham số Coriolis; và Munk, người đã kết hợp những điều này thành một mô hình hoàn lưu hoàn chỉnh.

Key figures

• Harald Sverdrup
• Henry Stommel
• Walter Munk

Seminal works

• stommel1948
• sverdrup1947

Frequently asked questions

Tại sao Dòng Vịnh lại nằm ở phía tây Đại Tây Dương?

Sự thay đổi về phía cực trong hiệu ứng Coriolis buộc nhánh hoàn lưu của hoàn lưu do gió thành một dòng chảy hẹp, nhanh dọc theo ranh giới phía tây, mà ở Bắc Đại Tây Dương là Dòng Vịnh.

Dòng chảy địa đối lưu là gì?

Đó là một dòng chảy trong đó lực Coriolis cân bằng lực gradient áp suất ngang, do đó nước chảy dọc theo, chứ không phải cắt ngang, các đường đẳng áp.