Geostrophische Strömung - Geostrophic current

Ein Wirbel der Nordhalbkugel im geostrophischen Gleichgewicht . Helleres Wasser ist weniger dicht als dunkles Wasser, aber dichter als Luft; der nach außen gerichtete Druckgradient wird durch die 90-Grad-Rechts-vom-Fluss- Corioliskraft ausgeglichen . Die Struktur wird sich schließlich aufgrund von Reibung und Vermischung von Wassereigenschaften auflösen.

Eine geostrophische Strömung ist eine ozeanische Strömung, bei der die Druckgradientenkraft durch den Coriolis-Effekt ausgeglichen wird . Die Richtung der geostrophischen Strömung verläuft parallel zu den Isobaren , wobei der Hochdruck auf der Nordhalbkugel rechts und der Hochdruck auf der Südhalbkugel links liegt . Dieses Konzept ist von Wetterkarten bekannt, deren Isobaren die Richtung der geostrophischen Strömung in der Atmosphäre zeigen. Geostrophische Strömung kann entweder barotrop oder baroklinisch sein . Eine geostrophische Strömung kann man sich auch als rotierende Flachwasserwelle mit einer Frequenz von Null vorstellen. Das Prinzip der Geostrophie ist für Ozeanographen nützlich, da es ihnen ermöglicht, aus Messungen der Meeresoberflächenhöhe (durch kombinierte Satellitenaltimetrie und -gravimetrie ) oder aus vertikalen Profilen der Meerwasserdichte, die von Schiffen oder autonomen Bojen aufgenommen wurden , auf Meeresströmungen zu schließen . Die Hauptströmungen der Weltmeere , wie der Golfstrom , der Kuroshio-Strom , der Agulhas-Strom und der antarktische Zirkumpolarstrom , befinden sich alle ungefähr im geostrophischen Gleichgewicht und sind Beispiele für geostrophische Strömungen.

Einfache Erklärung

Meerwasser neigt von Natur aus dazu, von einer Region mit hohem Druck (oder hohem Meeresspiegel) in eine Region mit niedrigem Druck (oder niedrigem Meeresspiegel) zu gelangen. Die Kraft, die das Wasser in Richtung des Tiefdruckgebiets drückt, wird als Druckgradientenkraft bezeichnet. In einer geostrophischen Strömung bewegt sich Wasser nicht von einer Region mit hohem Druck (oder hohem Meeresspiegel) in eine Region mit niedrigem Druck (oder niedrigem Meeresspiegel), sondern entlang der Linien gleichen Drucks ( Isobaren ). Dies geschieht, weil sich die Erde dreht. Die Rotation der Erde führt dazu, dass das Wasser eine "Kraft" spürt, die sich vom Hoch zum Tief bewegt, die als Coriolis-Kraft bekannt ist . Die Corioliskraft wirkt im rechten Winkel zur Strömung, und wenn sie die Druckgradientenkraft ausgleicht, wird die resultierende Strömung als geostrophisch bezeichnet.

Wie oben erwähnt, ist die Strömungsrichtung mit dem Hochdruck rechts der Strömung auf der Nordhalbkugel und dem Hochdruck links auf der Südhalbkugel . Die Strömungsrichtung hängt von der Halbkugel ab, da die Richtung der Corioliskraft in den verschiedenen Halbkugeln entgegengesetzt ist.

Formulierung

Die geostrophischen Gleichungen sind eine vereinfachte Form der Navier-Stokes-Gleichungen in einem rotierenden Bezugssystem. Insbesondere wird davon ausgegangen, dass keine Beschleunigung (stationärer Zustand), keine Viskosität und ein hydrostatischer Druck vorliegen . Die resultierende Bilanz ist (Gill, 1982):

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

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

wobei ist der Coriolis-Parameter , ist die Dichte, ist der Druck und sind die Geschwindigkeiten in den jeweiligen -Richtungen. ${\displaystyle f}$${\displaystyle \rho}$${\displaystyle p}$${\displaystyle u,v}$${\displaystyle x,y}$

Eine besondere Eigenschaft der geostrophischen Gleichungen ist, dass sie die stationäre Version der Kontinuitätsgleichung erfüllen. Das ist:

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

Rotierende Wellen der Nullfrequenz

Die Gleichungen für eine lineare, rotierende Flachwasserwelle lauten:

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

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

Die oben gemachte Annahme des stationären Zustands (keine Beschleunigung) ist:

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

Alternativ können wir eine wellenförmige, periodische Zeitabhängigkeit annehmen:

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

Wenn wir in diesem Fall setzen , sind wir zu den obigen geostrophischen Gleichungen zurückgekehrt. Somit kann man sich eine geostrophische Strömung als rotierende Flachwasserwelle mit einer Frequenz von Null vorstellen. ${\displaystyle \omega =0}$

Siehe auch

• Geostrophischer Wind

Verweise

• Gill, Adrian E. (1982), Atmosphären-Ozean-Dynamik , International Geophysics Series, 30 , Oxford: Academic Press, ISBN 0-12-283522-0