Upload
xiu
View
91
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
YFO0010 Sissejuhatus okeanograafiasse ja limnoloogiasse 8. Ülevaade veekogudes toimuvatest füüsikalistest protsessidest (1). Käsitleme: liikumiste klassifikatsioon põhilised jõud ja dünaamilised bilansid pikad gravitatsioonilised lained mesomastaapsed (sünoptilised) protsessid - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
YFO0010 Sissejuhatus okeanograafiasse ja limnoloogiasse
8. Ülevaade veekogudes toimuvatest füüsikalistest protsessidest (1)
Käsitleme:
• liikumiste klassifikatsioon• põhilised jõud ja dünaamilised bilansid• pikad gravitatsioonilised lained• mesomastaapsed (sünoptilised) protsessid• ääremerede ja rannikumere suuremastaabilised protsessid
atmosfäär
ookean
Klimaatilised kineetilise energia
spektrid
J. Woods (1980)
kvaasi-isotroopne turbulents
vertikaalne mikro-struktuur
akustilised lained
pinnalained
siselained
inertsvõnkumised
tõus-mõõn
sünoptilised keerised, frondid
sundliikumised atmosfääri tsüklonitest
sesoonsed muutused
püsihoovused
klimaatilised muutused
Energiavood
Protsesside klassifikatsioonMonin, 1979
Põhilised jõud ja
dünaamilised bilansid
Merede hüdrodünaamika
…liikumiste ajamastaap > tundvertikaalne rõhugradiendi jõud = raskusjõud ruumiühiku kohta
gdz
dp
Rõhkude vahe sügavuste 2z ja 1z vahel, const
1212
2
1
zzgzpzpdzdz
dpz
z
Rõhk sügavusel h ( hz 1 ),
veetaseme hälve 02z
hgpp 0
kus 0p - atmosfäärirõhk
Tiheduse vahemik 1000-1025 kg m-3
1 m sügavust 1 dbar rõhu järgi
Hüdrostaatiline tasakaal
Kordus l
oengust
nr 1
Rõhu gradiendid
barokliinne (normaalne)
barotroopne
barokliinne (sügavad ülevoolamised)
Horisontaalne rõhu gradient sõltub etteantud sügavusel vee tiheduse ρ ja veetaseme ξ gradientidest.
Kui tihedus on konstantne, siis p = ρg(h+ξ)ja rõhu gradient on määratud veetaseme gradiendiga
Tiheduse muutusi võib sageli vaadelda kahekihilises lähenduses, st mõlemas kihis on tihedus konstantne, kuid püknokliini sügavus h muutub.
Barotroopsed liikumised: tiheduse horisontaalgradient puudub (vertikaalne gradient on lubatud) ja rõhu gradient tuleneb veetaseme gradiendist.
Barokliinsed liikumised: nii tihedus kui ka veetase põhjustavad rõhu gradienti.
xg
x
p
Coriolis’e kiirendus
v
2• ilmneb Maa pöörlemise tõttu• on risti kiirusvektoriga• kallutab põhjapoolkeral paremale• ekvaatoril puudub • võimaldab geostroofilist tasakaalu• võimaldab inertsvõnkumisi
Mõju väljendab Coriolis’e parameter f = 2Ω sin φ , Ω - Maa nurkkiirus, φ - geograafiline laius
Kiirusvektor pöörleb päripäeva perioodiga
laiusel 600 N
Inertsperiood sageli domineerib kiirusmõõtmiste andmetes
h142
f
T f
“karussell”
Geostroofiline tasakaal
rõhugradiendi jõud
kiirus
Coriolis’e jõud
Triivhoovused: Ekmani spiraal
Nansen märkas 1890-ndatel, et triivhoovused on tuule suunast 200-400 paremale. Ekman leidis selgituse: hõõrdejõud on tasakaalus Coriolis’e jõuga.
“Puhtas” triivhoovuses (ei arvesta horisontaalseid muutusi) kiirusvektor on veepinnal pööratud tuule suunast 450 paremale (põhjapoolkeral).
Sügavuse kasvades kiirusvektori moodul kahaneb eksponentsiaalselt, samal ajal vektor ise pöördub edasi paremale. Kiiruse kahanemist iseloomustab Ekmani sügavus
mis sõltub turbulentse viskoossuse koefitsiendist ja Coriolis’e parameetrist. Väärtused on tavaliselt vahemikus 10-100 m.
Ekmani kihi keskmine transport on pööratud 900 tuule suunast paremale.
fD
2
Upwelling
Ülakihi Ekmani transport on Coriolis’e jõu tõttu pööratud tuule suunast 900 paremale (põhjapoolkeral).
Upwelling: Piki randa puhuv tuul võib lükata pinnakihi veed avamere suunas. Ranniku lähedal tõusevad sügavamad veekihid püknokliini (tiheduse hüppekihi) alt veepinnale, asendamaks “ärapuhutud” pinnakihi vett. Downwelling on vastupidine protsess: avamerelt “puhutakse” pinnakihi vesi randa ning püknokliin läheb sügavamale.
Upwelling on ajas muutuv protsess. Ta muudab temperatuuri, soolsust, toitaineid jne. Toitainete eufootilisse tsooni kandmise tõttu on upwellingus sageli suurenenud bioproduktsioon. Suurimad muutused toimuvad siis, kui püknokliin tõuseb pinnale.
Pikad gravitatsioonilised
lained
2D dünaamika: madala vee võrrandid
kasutatakse • veetase• madala rannikumere tsirkulatsioon, ainelevi jne
Näited numbrilisest modelleerimisest
Seishid (omavõnkumised) pikas ja kitsas konstantse sügavusega kanalis
Kiiruse moodid
Veetaseme moodid
1D madala vee võrrandid taanduvad lainevõrrandiks. Kõik lained, sõltumata lainepikkusest, liiguvad ühesuguse faasikiirusega
kus g on raskuskiirendus ja H on sügavus.
Kanali otstest vesi läbi ei voola ning seal laine peegeldub. Tekivad seisvad lained, kus kanalisse pikkusega L mahub täisarv pool-laineid
Võnkumiste moodi number n näitab pool-lainete arvu. Omavõnkumiste periood on lainepikkus/faasikiirus ehk
Siin on analoogia näiteks klaverikeele võnkumiste/lainetega.
gHc
...2,12
nn
Ln
gHn
LTn
2
Kelvini lained
Kelvini laine kanalis
Sein, mille ääres veetaseme kõikumised on maksimaalsed, sõltub laine leviku suunast.
2D liikuvate lainete jaoks muutub Coriolis’e jõud oluliseks. Dispersiooniseos (sageduse ω sõltuvus lainearvudest k ja l) võtab kuju
Positiivsete lainearvude korral (mõlemas suunas perioodiline laineprofiil) ei saa sagedus olla väiksem kui inertssagedus ehk meie laiuskraadidel ei saa periood olla pikem kui inertsperiood ca 14 tundi.
Pikema perioodiga lained on võimalikud juhul, kui üks lainearvu ruutudest on negatiivne ehk laine ise on ühes suunas eksponentsiaalse profiiliga. Et laine amplituud oleks lõplik, on amplituud maksimaalne seina (ranna) ääres ning eemaldudes amplituud kahaneb. Kahanemise kiirust näitab barotroopne (“väline”) Rossby deformatsiooniraadius
2222 lkgHf
f
gHRde
2D seishid, looded ja amfidroomilised süsteemid
Looded (tõus-mõõn) tekitatakse Päikese ja Kuu gravitatsioonijõudude poolt, perioodid ca 12 h ja 24 h.
Inertsperioodist pikematel perioodidel moodustavad ergutatud lained amfidroomilised süsteemid, nii seishide kui ka loodete jaoks.
Kelvini laine faas liigub põhjapoolkera basseinis päripäeva ja seda kirjeldavad samafaasi jooned (co-tidal lines). Veetaseme muutuvaid amplituude kirjeldavad samataseme jooned (co-range lines). Kelvini lainete amplituud on maksimaalne ranna juures, kuid varieerub ühest kohast teise. Samafaasijooned lõikuvad amfidroomilistes punktides, kus amplituud läheb nulliks.
Tõusu-mõõna ergutamine
Mesomastaapsed (sünoptilised)
protsessid
Mesomastaapne muutlikkus: kvaasigeostroofika
Mesomastaapse muutlikkuse põhilised vormid on frondid ja keerised. Nad tekivad suuremastaabilise liikumise barokliinse ebastabiilsuse tõttu. Kõige ebastabiilsem lainepikkus määrab tekkivate mesomastaapsete struktuuride mõõtmed, mida kirjeldab barokliinne (“sisemine”) Rossby deformatsiooniraadius
Siin N on stratifikatsiooni tugevust iseloomustav ujuvus- (Väisälä) sagedus.Tüüpilised väärtused: atmosfäär - 1000 km, ookean - 50 km, Läänemeri - 5-10 km.
Mesomastaapne liikumine on kvaasigeostroofiline, st kiirused on piki isobaare, kuid “mustrid” muutuvad aeglaselt. Seda määrab potentsiaalne pööriselisus
(ζ - absoluutne pööriselisus, f - Coriolis’e parameeter, H - sügavus)mis on piki veeosakeste trajektoori jääv suurus. Tekivad Rossby lained (f muutumise tõttu laiuskraadiga, β -efekt) ja topograafilised lained (H muutumise tõttu).
f
NHRd
H
f
Keeris moonutab “malelauda”
Frondid: suurenenud gradientidega alad
Kokkujooksvad hoovused - FRONTOGENEES - säilitavad fronti segunemise vastu.
Veepinnal kokkujooksev vesi sukeldub pidevuse tõttu.
x
h
f
g
x
p
fv
1
121
1
1
Piki fronti kiirus on geostroofiline
Frondid shelfialadel
Frondi generatsioon segunemise tõttu
Frontide tüübidtermohaliinne front
tiheduslikult kompenseeritud front
Mesomastaapne muutlikkus: Golfi hoovuse ringid
Mesomastaapsed keerised Austraalia ja California lähedal
vertikaalne struktuur
tsüklon antitsüklon
Ääremerede ja rannikumere
suuremastaabilised protsessid
Mere veevahetus, Knudseni bilanss
Kordus l
oengust
nr 1
Veevahetus seotud pöörlevates basseinides
Vooluhulk ülepöörleva künnise
(Whitehead et al., 1974)
f
hgQ
2
2
2
12
gg
f
hg
f
cRW d
kus
pöörlev kontroll kui
• tuuletransport Ekmani kihis kompensatsioonivool alumises kihis
• vertikaalne transport pidevuse tõttu
iH
zii
ii dzqq
Atzw )(
1),(
21
21 peab olema tasakaalustatud
halokliini erosiooniga
• halokliinis toimub segunemine eelkõige siselainete tõttui
Vi N
K
Estuaarlehtersuue, suure jõe sügav mere poole laienev suue või kitsas suudmelaht
Estuaar on üleminekuala jõe suudme ja soolase avamere vahel ning olulise tingimusena estuaari soolsus peab erinema avamere soolsusest. Estuaarid on sageli tekkinud jõe suudmeala erosiooni teel tõusu-mõõna mõjul.
Hüdrodünaamika seisukohalt on tähtis soolsuse ja tiheduse gradient jõe (või jõgede) mõjualast avamere suunas ning seetõttu on magevee suure juurdevooluga ääremered (sh Läänemeri) ning lahed käsitletavad estuaaridena. Magevee juurdevool ning tiheduse gradiendid tekitavad voolamise. Samal ajal on estuaari stabiilse oleku tagamiseks väga tähtis roll
segunemisel. Chesapeak Bay
Estuaaride tüübid
soola-keele estuaar
osaliselt segunenud estuaar
hästi segunenud estuaar
Estuaaride tsirkulatsioon