Krążenia Langmuira: Wiatrowe wierchołki morza

Dwa składniki: nacisk wiatru i przepływ Stokesa

Langmurowy cyklon nie może formować się samodzielnie z powietrza ani z fal; wymaga on specyficznego działania obu elementów. Pierwszym składnikiem jest bezpośrednia akwana prawa, cienka warstwa nacisku wiatrowego na wodę, która jest przyciągana do przodu przez siłę szlakową, gdy wiatr biegnie po powierzchni morskiej, co zwykle oznacza prędkość rzędu kilku procent prędkości wiatru. Drugim, bardziej tajemniczym składnikiem jest przepływ Stokesa, mała netto przesunięcie w kierunku do przodu doświadczone przez paczkę wody podczas przejścia fal powierzchniowych. Choć ruch orbitalny fali jest prawie zamknięty, paczka nie wraca dokładnie do punktu początkowego po każdym okresie falowym, a zamiast tego opisuje lekko otwarte pętle tworzące netto przepływ w kierunku propagacji fal. Prędkość przepływu Stokesa maleje szybko z głębokości, jest najsilniejsza na powierzchni i zależy od amplitudy i długości fali, co oznacza, że gęstsze, dłuższe fale tworzą silniejszy przepływ Stokesa. Gdy w akwannie górnej współistnieją prąd szlakowy wywołany wiatrem i przepływ Stokesa, ich kombinowana pole prędkości stała się instabylne dla małych perturbacji poprzez mechanizm znany jako siła wiru Craik-Leibovich, w którym interakcja pionowej rotacji w pradzie szlakowym wywołanym wiatrem i poziomego przepływu Stokesa przesuwa istniejące turbulentne eddiesy w organizowane, długotrwałe helice złożone w kierunku do niewietrznego. Nikt z indywidualnych składników nie tworzy tego uporządkowanego wzoru obracania; jest to podstawowo fenomen interakcji akwana-prawa, dlatego Langmurowy cyklon pojawia się wiernie na otwartych wodach wyjazdowych do obfitujących w wiatr fal, ale jest brakujący lub słaby w bezpiecznych, falowym miejscach nawet pod silnym wiatrem.

Anatomia Parów Wortex

Langmurowy komórki występują w parach obracających się w przeciwległych kierunkach: sasptenace są obracane w przeciwnych kierunkach, co powoduje, że między dwoma sąsiadującymi pędami powierzchnia prądu konverguje, woda opada i występuje opadanie, podczas gdy między zewnętrznymi brzegami paru pęd powierzchniowy diverguje i woda podnosi się jako wynik przeciwnego podniesienia. Alternatywne wzory konwersji-dywersji tworzą widoczny kształt windrow na powierzchni: zmiennoprzepustowca materiału, takiego jak foama, seler lub olej, jest przenoszony poziomo przez pęd konwersji powierzchniowy i skoncentrowany w natarciach szerszych bezpośrednio nad obszarami opadania, podczas gdy obszary divergencji pozostają względnie wolne od flotacji. Odstępy między windrowami, zazwyczaj kilka metrów do kilkudziesięciu metrów w przypadku uśrednionych wiatrów, skalują się z głębokości warstwy mieszanej powierzchniowej i siły sterującej wiatrem i polem falowym; silniejsze obniżenie tworzy bardziej energetyczne, czasami głębsze komórki, podczas gdy słabsze obniżenie prowadzi do skupionych, głębokich pędów. Przepływy pionowe w komórkach Langmurowych, mimo że indywidualnie są mniej intensywnie, zazwyczaj na poziomie kilku centymetrów na sekundę, są istotne w porównaniu do wolnych przepustowości molekularnej i nawet typowej dyfuzji turbulentnej w górnej oceanograficznej warstwie, co oznacza, że te komórki działają jako efektywne windy pionowe, aktywnie pompując wodę, razem z wszystkim zawieszonym lub rozpuszczonym we wodzie, między powierzchnią a podstawą warstwy mieszanej na skalach czasu minutowych.

Turbuencja Langmuira i mieszanie górnej części oceanu

Poza charakterystycznym oznakiem wiatrowych rzędów, teraz zrozumiało się, że komórki Langmuira są jednymi z głównych mechanizmów głębaczania i homogenizacji warstwy mieszanej powierzchni oceanu, well-mixed rejonu powierzchniowego bezpośrednio wymieniającego ciepło i gazochłonność z atmosferą. Traditionalne modele turbulencji górnej części oceanu, oparte jedynie na tarczy wiatrowej i instabilności konvekcyjnej, niezwykle podmiotowo przewidują głębokość i homogenizację warstwy mieszanej w warunkach realistycznych wiatru i fal; dodanie mechanizmu wirujących sił wygenerowanych przez cyrkulację Langmuira, często nazywanego parametryzacją turbuencji Langmuira, znacznie poprawia dopasowanie między modelowaną a obserwowaną głębokość warstwy mieszanej. To ważne, ponieważ głębokość warstwy mieszanej kontroluje ile ciepła ocean zatrzymuje i przechowuje pod wpływem światła słonecznego, jak efektywnie powierzchnia wymienia dioxid węgla i tlen z atmosferą, oraz jak składniki odłużne z głębszych warstw dostarczane są filkoplastom na powierzchni pod wpływem światła. Cyrkulacja Langmuira również interaguje z turbuencją tarczy wiatrowej i konvekcyjnym przewracaniem w skomplikowane, często uzupełniające się i czasami konkurencyjne sposób, a jej względna ważność zmienia się z prędkości wiatru, stanu fal oraz stratyfiakcji gęstości górnej części oceanu, by być najbardziej silną pod wpływem średnio silnych wiatrów z rozwiniętymi morzami, a najmniej istotną w warunkach bardzo spokojnych lub gdy silne ciepło powierzchni tworzy stabilny, głęboki, trudno mieszany warstwy blisko powierzchni.

Skupianie Flotującej Materii: Od Sargazowego Trawy do Mikroplastiku

Znajdywania konwekcyjne w centrum cyrkulacji Langmuira są niezwykle skuteczne w zbieraniu materiały flotujące, co dokładnie jest powodem, dla którego Irving Langmuir pierwszy zauważył ten fenomen poprzez linie sargazowej trawy. Ten sam mechanizm konwekcyjny ma znaczące konsekwencje praktyczne dotyczące rozproszenia ścieków morskich. Olej spiltowany jest przyciągany do szerszych, skupionych pasów wiatrowych zamiast rozprzestrzenić się równomiernie, co może miejscowo zwiększyć widoczność i grubość plakatu, podczas gdy wokół pozostaje woda znacznie czystsza. To komplikuje zarówno wykrywanie odległym detektorami, jak i planowanie oczyszczenia. Mikroplastykowe cząsteczki, które są często blisko neutralnie flotujące lub tylko słabo flotujące, są również skupione w tych pasach konwekcyjnych. Badania sugerują, że cyrkulacja Langmuira, razem z większymi cechami konwekcyjnymi, znacząco przyczynia się do rozłożonego, filamenteuszonego rozkładu mikroplastiku obserwowanego w badaniach powierzchniowych oceanów, a nie do jednorodnej rozmieszczenia. Kwas i chmury puchu zatrzymywane przez falowanie są również przyciągane do pasów wiatrowych, a ponieważ pukle rozpraszają dźwięk i zwiększają wymianę gazowej morsko-ziemską lokalnie, organizowane rozmieszczenie ich poprzez komórki cyrkulacji Langmuira ma miarowym wpływ na akustykę podwodną oraz estymacje przepływów gazowych w powierzchni morskiej. Nawet materiał biologiczny, w tym niektóre gatunki fitoplanktonu z kontrolą flotacji i małe zooplancton, może stać się skupione w znajdywaniach konwekcyjnych, tworząc delikatne warstwy powszechne bogate w organizmy, które odwzorowywują ptaki morskie i ryby pożywcze. W związku z tym cyrkulacja Langmuira ma rzeczywisty, choć często niezauważalny, ślad ekologiczny.

Obserwacja i modelowanie cykli Langmuira

Dane cykle Langmuira są stosunkowo małe i krótkotrwałe w porównaniu do głównych przepływów morskich, dlatego studiowanie ich wymaga kombinacji bezpośrednich obserwacji wizualnych, eksperymentów z czerpnięciem farby oraz, najnowsze metody korzystają z detekcji odległej zasobnej i symulacji numerycznych. Dawne studia opierały się na fotografii powietrznej wzorów windrow i wydzielaniu farby na pokładzie statku, aby wnioskować o odstępach między komórkami i siłach obrótu, podczas gdy badania współczesne coraz częściej korzystają z symulacji wieloskalowych przepływów dużych eddysów, które wyraźnie rozwiązywane są interakcje między naciskiem wiatrowym, przemieszczeniem Stokesa i turbulencją. Pozwalają one badaczom na testowanie teorii Craik-Leibovich przeciwko szczegółowym trójwymiarowym polom prądu zamiast jedynie obserwacji powierzchniowych. Detekcja odległej zasobnej i radarowa detekcja może wykrywać wzorcy windrow na dużych obszarach, pomiarem cienkich zmian w gładkości powierzchni spowodowanych alternującym się konwencją i dywersji, ponieważ obszary konwencji tendują do zmiękczania małych fal kapilarnych poprzez zasiekanie pokrywy powierzchniowej lub śmieci, co zmienia sposób rozpraszania odbicia radarowego. Modelowanie operacyjne oceanu i klimatu coraz częściej wchodzi w skład parametrizacji turbulencji Langmuira bezpośrednio do fizyki warstwy mieszanej, ponieważ ignorując tę mekanizm może prowadzić do biegunnych błędów w przewidywaniach temperatury powierzchni morskiej i głębokości warstwy mieszanej, co ma konsekwencje dalsze dla prognoz pogody i klimatu. Ta kombinacja teorii tradycyjnej dynamiki płynów, pola obserwacyjnego i nowoczesnego modelowania komputerowego przemieniła cykle Langmuira z zainteresującego zjawiska widocznego z pokładu statku na ważny i aktywnie badany element fizyki górnej warstwy oceanicznej.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Langmuir Circulation: Wind-Driven Ocean Windrows i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.