Wabiki wewnętrzne na pycnocline

Co sprawia, że pycnocline jest przewodnikiem fal

Pycnocline tworzy się tam, gdzie szybko zmienia się gęstość wody z głębokością, najczęściej ze względu na gradient temperatury, nazywany thermocline, gradient sól, nazywany halocline, lub kombinację obu, ponieważ gęstość wody zależy zarówno od temperatury, jak i sól. Gęstość zazwyczaj rośnie ze głębokością, ponieważ zimna, solne woda jest gęstsza niż ciepła, słodka woda, a ta disposycja jest stabilna pod względem grawitacyjnym: pakiet wody przesunięty na górę z pycnocline do mniej gęstych warstw powyżej będzie gęstszy niż otaczające go warstwy i spadnie z powrotem, podczas gdy pakiet przesunięty na dół będzie cięższy niż otaczające go warstwy i stanie się lekki i spowolni się. Ta siła przywracania jest dokładnie analogiczna do grawitacyjnej siły przywracającej, która prowadzi falowe powierzchniowe, z tą różnicą, że różnica gęstości, która ją stwarza, tzn. różnica między dwoma warstwami wody, jest znacznie mniejsza niż różnica gęstości między wodą a powietrzeniem, która prowadzi falowe powierzchniowe. Ponieważ siła przywracająca jest słaba, pycnocline może utrzymać duże przemieszczenia pionowe, czasem dziesiątki metrów, reagując na stosunkowo mały wpływ energii, i może to robić, nie zaburzając niemal powierzchni morskiej nad nią, ponieważ lekka warstwa nad nią ugięta jest łagodnie w odpowiedzi na znacznie większe przemieszczenia występujące głębiej. Ta kombinacja słabej siły przywracającej i dużego potencjalnego przemieszczenia jest charakterystycznym fizycznym oznakiem, która oddziela falowe wewnętrzne od zwykłych fal powierzchniowych z grębką grawitacyjną, wyjaśniając zarówno ich obywatelską szybkość, jak i często nieoczekiwanej duże amplitudy.

Szybkość wabików wewnętrznych: zmniejszona grawitacja i model dwuskładnikowy

Szybkość, z jaką wabik wewnętrzny propaguje się po pycnocline, może być zrozumiana przy użyciu uproszczonego modelu dwuskładnikowego, w którym lekka warstwa gęstości i grubości znajduje się nad cięższą warstwą gęstości i grubości. W tym idealizowanym przypadku szybkość wabików wewnętrznych zależy od tak zwanej zmniejszonej grawitacji, która jest efektywną przyspieszeniem grawitacyjnym skalowanym zgodnie z ułamkową różnicą gęstości między dwiema warstwami, połączoną z arytmetyczną średnią harmonijną grubości obu warstw. Ponieważ zmniejszona grawitacja jest zwykle tylko małą częścią, często jedna tysięczna lub mniej, normowego przyspieszenia grawitacyjnego, szybkość wabików wewnętrznych jest odpowiednio wolniejsza w porównaniu do wabików powierzchniowych w tym samym obszarze wody. Szybkości wabików wewnętrznych zazwyczaj wynoszą kilka centymetrów na sekundę w słabo stratyfikowanych jeziernach, a do jednego lub dwóch metrów na sekundę dla silnych pycnocline oceanicznych, w przeciwieństwie do szybkości wabików powierzchniowych, które mogą osiągać kilka metrów na sekundę. Zwiększenie kontrastu gęstości między warstwami zwiększa siłę siły odpychającej i wzmacnia szybkość wabików, podczas gdy zwiększenie grubości warstw również powoduje wzrost prędkości, pozwalając na większą objętość wody do uczestnictwa w ruchu oscylacyjnym. Ta zależność oznacza, że zachowanie wabików wewnętrznych jest bardzo czułe na strukturę pionową kolumny wody: ostre i cienkie pycnocline z dużym skokiem gęstości wspiera szybkie, dobrze zdefiniowane wabiki wewnętrzne, podczas gdy łagodnie stratyfikowana, słaba stratyfikacja powoduje wolniejszy i mniej definiowany ruch wabików wewnętrznych. W rzeczywistych oceanach i jeziernach zmiany w silności stratyfikacji wraz z sezonami i regionami spowodują znaczące różnice w charakterystykach wabików wewnętrznych w zależności od lokalizacji i czasu roku.

Mechanizmy Generacji: Neodymie, Topografia i Turbulencja

Największe amplitudy wabików wewnętrznych w oceanie wynikają z interakcji prądów neodymiowych z podwodną topografią. Tego procesu towarzyszą generowane wabiki wewnętrzne, nazywane internal tides. Gdy prąd neodymiczny napotyka na ostre zbocze, seamount lub brzeg kontynentalny, pycnocline jest zmuszona do oscylacji w pionie z częstotliwością neodymiczną, emitując wabiki wewnętrzne od strony topograficznej cechy podobnie jak fale rozszerzające się od przeszkody. W pewnych lokalizacjach, szczególnie między Tajwanem a Filipinami w Luzon Strait, ten proces generacji tworzy niektóre z największych wabików wewnętrznych na Ziemi, z przemieszczeniami pionowymi przekraczającymi sto metrów, które propagują się przez setki kilometrów po Morzu Śródziemnego przed końcowym rozpadem i rozpraszaniem energii przeciwko brzegom kontynentalnym. Poza generacją neodymiczną, wabiki wewnętrzne mogą być również tworzone przez prąd wiatrowy przepływający nad podwodnymi murekami, przez przejście burz i frontów ciśnienia atmosferycznego, które tymczasowo przestraszają pycnocline, przez ślad statków lub podwodnych statek wywołujący turbulencję prądu w warstwie stratyfikowanej, oraz przez upadanie turbulentnych obszarów powstających z rozpadu fal powierzchniowych czy instabilności obrotowej na głębinach. Po ich generacji, wabiki wewnętrzne często się skrystalizowują podczas propagacji do morskiej gleby lub regionów słabszej stratyfikacji, proces bardzo podobny do tego, jak powierzchniowe fale się skrystalizowują i rozpadają przy zbliżaniu się do brzegu, przekładając w końcu swoją energię na mieszanie turbulentne, które odgrywa ważną rolę w utrzymaniu krążenia oceanicznych głębokich przez ciągłe ponowne mieszanie wilgotnej wody podłogowej powrotem do powierzchni.

Trasy solitonowe i oznaki powierzchniowe fal wewnętrznych

Gdy duże fale wewnętrzne propagują się od miejsca ich generacji, efekty nieliniowe mogą spowodować, że początkowo gładka falę staje się niszczyca i rozpadnie się na serię krótszych, bardziej ostro zarysowanych fal zwanych solitonami wewnętrznymi lub jednostajnymi falami, które podróżują jako uporządkowane pakiety lub trasy, a każdy soliton zachowuje stałą formę podczas propagacji, ponieważ siła tendencji do niszczenia z powodu nieliniowości jest równoważona przez rozpraszanie, tendencja do rozszerzania się ze względu na różne prędkości przemieszczania się fal o różnych długościach fali. Te pakietes solitonowe są jednymi z najbardziej wyraźnych i dobrze badanych zjawisk fal wewnętrznych, ponieważ mimo że występują całkowicie pod powierzchnią, tworzą oznaki widoczne na powierzchni: silne poziome prądy powiązane z każdym solitonem alternatywnie zbiegają i rozcieńczają wodę powierzchniową, tworząc szerokie pasy gładkiej, szklistej wody alternujące się z bardziej teksturyzowanej, gorszej jakości wody, która może być widoczna nago oczami ze statku lub samolotu pod odpowiednimi warunkami iluminacji i co jest wyraźnie widoczne w obrazach radaru sztucznej przyspieszonej satelitarnej jako równoległe pasy arcystyczne, często rozciągające się na setki kilometrów. Te oznaki powierzchniowe sprawiły, że zmysłowym dozorcem satelitarnym stało się ważnym narzędziem do śledzenia aktywności fal wewnętrznych na skalę globalną, ponieważ pozwala badaczom mapować punkty generacji gorących i ścieżki propagacji bez potrzeby bezpośrednich pomiarów in situ, choć nadal jest niezbędne potwierdzenie z pomiarów montowanych i profilowania statkowych do pełnej charakterystyki amplitudy fal i struktury pionowej.

Dlaczego wabiki wewnętrzne są ważne: mieszanie, zagrożenia i inżynieria

Wabiki wewnętrzne to wiele więcej niż zainteresowanie oceanograficzne; są głównym motorem mieszania pionowego w wnętrzu oceanu, rola ta ma ogromne znaczenie dla klimatu globalnego i funkcji ekosystemów. Gdy wabiki wewnętrzne się rozrywają, czy przeciwko topografii niemal prostopadłej, brzegom kontynentalnym lub poprzez instabilność zderzeniową w głębi oceanu, generują małe gwałtowności turbulentne, które mieszają ciepło, substancje nutryjne, gazochłonne i nawet materiał biologiczny pionowo przez pycnocline – barierę, która inaczej silnie ogranicza wymianę między wodą powierzchniową a głębokimi warstwami. Mieszanie spowodowane wabikami wewnętrznymi jest teraz rozpoznawane jako niezbędna część przepływu odwracającego się globalnego, który pomaga wrócić gęste wody tworzone w regionach polarnych powrotem na powierzchnię po czasie trwania wieków. Proces ten nie mógłby być utrzymywany jedynie przez rozprzestrzenianie się molekularne, z uwagi na jak bardzo wolny jest on w skali oceanicznej. Wabiki wewnętrzne również stanowią praktyczne zagrożenia i wyzwania inżynieryjne: silne, często niepewne przepływy powiązane z dużymi wabikami wewnętrznymi i pakietami solitonów mogą wywołać istotne obciążenia na platformach offshore energetycznych, zakłócać operacje podvodne związane z łączeniem kabli i drenowaniem, a także były powiązane z incydentami dotyczącymi podwodnych statków, które mogą doświadczyć nagle zmieniających się warunków stabilności i położenia w chwilach przekroczenia silnie odkształconej pycnocline. Zrozumienie i prognozowanie zachowania wabików wewnętrznych, wykorzystując modele oparte na tym samym fizyce kontrastu densedensity i głębokości warstwy omawianej w tej symulacji, jest więc bezpośrednio powiązane z operacjami marynarki wojennej, projektowaniem inżynierskim offshore i bardziej szerokimi wysiłkami dotyczącymi dokładnego przedstawiania mieszania oceanicznego w modelach klimatycznych.

Często zadawane pytania