Geostrofisk ström

gyre på norra halvklotet i geostrofisk balans . Blekare vatten är mindre tätt än mörkt vatten, men tätare än luft; den utåtriktade tryckgradienten balanseras av corioliskraften 90 grader till höger om flödet . Strukturen kommer så småningom att försvinna på grund av friktion och blandning av vattenegenskaper.

En geostrofisk ström är en havsström där tryckgradientkraften balanseras av Corioliseffekten . Riktningen för det geostrofiska flödet är parallellt med isobarerna , med högtrycket till höger om flödet på norra halvklotet och högtrycket till vänster på södra halvklotet . Detta koncept är bekant från väderkartor , vars isobarer visar riktningen för geostrofiska vindar . Geostrofiskt flöde kan vara antingen barotropt eller barokliniskt . En geostrofisk ström kan också ses som en roterande grundvattenvåg med en frekvens på noll.

Principen om geostrofi eller geostrofisk balans är användbar för oceanografer eftersom den tillåter dem att härleda havsströmmar från mätningar av havsytans höjd (genom kombinerad satellithöjdsmätning och gravimetri ) eller från vertikala profiler av havsvattendensitet tagna av fartyg eller autonoma bojar. De stora strömmarna i världshaven , såsom Golfströmmen , Kuroshio-strömmen , Agulhasströmmen och Antarktis Circumpolar Current , är alla ungefär i geostrofisk balans och är exempel på geostrofiska strömmar.

Enkel förklaring

Havsvatten tenderar naturligt att flytta från ett område med högt tryck (eller hög havsnivå) till en region med lågt tryck (eller låg havsnivå). Kraften som trycker vattnet mot lågtrycksområdet kallas tryckgradientkraften. I ett geostrofiskt flöde, istället för att vatten rör sig från ett område med högt tryck (eller hög havsnivå) till ett område med lågt tryck (eller låg havsnivå), rör sig det längs linjerna med lika tryck (isobarer ) . Detta beror på att jorden roterar. Jordens rotation resulterar i att en "kraft" känns av vattnet som rör sig från det höga till det låga, känd som Corioliskraft . Corioliskraften verkar i rät vinkel mot flödet, och när den balanserar tryckgradientkraften kallas det resulterande flödet geostrofiskt.

Som nämnts ovan är flödesriktningen med högtrycket till höger om flödet på norra halvklotet och högtrycket till vänster på södra halvklotet . Flödets riktning beror på halvklotet, eftersom Corioliskraftens riktning är motsatt i de olika hemisfärerna.

Formulering

Se även: Geostrofisk vind § Formulering

De geostrofiska ekvationerna är en förenklad form av Navier–Stokes ekvationer i en roterande referensram. I synnerhet antas det att det inte finns någon acceleration (steady-state), att det inte finns någon viskositet och att trycket är hydrostatiskt . Den resulterande balansen är (Gill, 1982):

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

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

där $f$ är Coriolis-parametern , $\rho$ är densiteten, $p$ är trycket och $u,v$ är hastigheterna i $x,y$ -riktningar.

En speciell egenskap hos de geostrofiska ekvationerna är att de uppfyller steady-state versionen av kontinuitetsekvationen. Det är:

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

Roterande vågor med noll frekvens

Ekvationerna som styr en linjär, roterande grunt vattenvåg är:

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

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

Antagandet om stabilt tillstånd som gjorts ovan (ingen acceleration) är:

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

Alternativt kan vi anta ett vågliknande, periodiskt beroende i tid:

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

I det här fallet, om vi sätter $\omega =0$ , har vi återgått till de geostrofiska ekvationerna ovan. Således kan en geostrofisk ström ses som en roterande grundvattenvåg med en frekvens på noll.

Se även

• Geostrophic wind

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