Циркуляція Ланґмюра: Вітрові океанічні вітрила

Два Інгредієнти: Вітрове Напруження та Стоксіанний Порив

Лангмурівський потік не може утворитися лише від вітру або лише від хвиль; для цього необхідна специфічна взаємодія між обома. Першим інгредієнтом є безпосередній потік, що виникає під дією вітру – тонкий шар поверхневої води, який тягнеться вперед через тертя, коли вітер пробігає поверхню моря, зазвичай рухаючись на кілька відсотків від швидкості вітру. Другим, більш тонким інгредієнтом є Стоксіанний порив – невелике середнє поперечне зміщення, яке відчуває частинка води, коли через неї проходять поверхневі гравітаційні хвилі. Хоча орбітальна рух хвилі майже замкнута, частинка не повертається точно до свого первинного положення після кожного періоду хвилі, а замість цього простежує трохи відкритий колоподібний шлях, що призводить до повільного середнього відхилення в напрямку поширення хвиль. Швидкість Стоксіанного пориву швидко спадає з глибиною, є найсильнішою на поверхні та залежить від амплітуди та довжини хвилі, тобто більш круті хвилі більшої довжини призводять до сильнішого Стоксіанного пориву. Коли вітрове тертя та Стоксіанний порив існують в верхніх шарах океану, їх сукупне швидкісне поле стає нестабільним до невеликих збурень за допомогою механізму, відомого як сила Крейка-Лейбовіч, в якій взаємодія між вертикальною вихоровістю у вітровому потоці та горизонтальним тертям Стоксіанного пориву перевертає існуючі турбулентні вихори в організовані, видовжені спіральні звиви, орієнтовані близько до напрямку противітряного руху. Жоден з цих інгредієнтів сам по собі не створює цього організованого ротаційного візерунка; це фундаментальне явище взаємодії хвиль та течії, тому Лангмурівський потік надійно проявляється на відкритих водах під дією постійного вітру та розвиненої хвильової області, але відсутній або слабкий у захищених від хвиль водах навіть при сильному вітрі.

Анатомія парних воронкових структур

Лангмурівські клітини утворюються парами, що обертаються в протилежних напрямках: сусідні згубки обертаються в протилежні боки, щоб між двома сусідніми згубками поверхневий потік збігався, вода опускалася і відбувалося занурення (downwelling), а між зовнішніми краями пари поверхневий потік розбігався, і вода піднімалася в компенсуючий висхідний потік (upwelling). Цей чергування збіжних-розбіжних патернів і є причиною появи видимої структури вітрорягів на поверхні: плавучі матеріали, такі як піна, водорості або олія, під дією збіжних потоків переносяться горизонтально та концентруються в вузькі лінії безпосередньо над зонами занурення, а розбіжні зони відносно чисті від плаваючих уламків. Відстань між вітроряхами, як правило, кілька метрів до кількох десятків метрів при помірному вітрі, залежить від глибини поверхневого змішаного шару та сили вітру та хвиль; сильніший вплив призводить до більш енергійних, іноді глибше прониклих клітин, а слабкий – до щільно розташованих, неглибоких згубків. Вертикальні швидкості всередині лангмурівських клітин, хоч і відносно невеликі (зазвичай кілька сантиметрів на секунду), є значними порівняно зі сповільними молекулярними та навіть типовими турбулентними швидкостями в верхніх шарах океану, що означає, що ці клітини діють як ефективна вертикальна конвеєрне пристрою, активно перекачуючи воду, а також все, що з нею утримується або розчинено, між поверхнею та базою змішаного шару протягом декількох хвилин.

Лангмюрівська турбулентність та змішування верхніх вод

Виходячи з їх характерної вітрової структури, Лангмюрові клітини тепер розуміються як один із основних механізмів, що поглиблюють і рівномірно розподіляють поверхневий змішаний шар верхніх вод – добре перемішану ближню поверхневу зону, яка безпосередньо обмінюється теплом та газами з атмосферою. Традиційні моделі турбулентності верхніх вод, засновані виключно на тертю від вітру та конвективній нестабільності, послідовно недооцінювали глибину та ефективність змішування поверхневого шару в реальних умовах з вітром і хвилями; додавання механізму формування Лангмюрівської циркуляції – підхід, який часто називають параметризацією Лангмюрівської турбулентності – значно покращує відповідність між модельованою та спостережуваною глибиною змішаного шару. Це важливо, оскільки глибина змішаного шару контролює кількість тепла, яке океан поглинає та зберігає від сонячної радіації, ефективність обміну вуглекислим газом та киснем з атмосферою на поверхні, а також постачання поживних речовин із глибших вод до освітленої фітопланктона біля поверхні, що безпосередньо впливає на морську первинну продуктивність. Лангмюрівська циркуляція також взаємодіє з турбулентністю, спричиненою тертям від вітру, та конвективним перевертанням у складних сполученнях, іноді посилюючи та іноді конкуруючи одна з одною, а її відносна важливість змінюється залежно від швидкості вітру, стану хвиль та щільності верхніх вод, зазвичай найсильніша при помірній або сильній швидкості вітру із добре розвиненими морями, і слабшає у дуже спокійних умовах або коли сильне поверхневе нагрівання створює стабільний, неглибокий шар, який важко змішується біля поверхні.

Збігшення плавальних матеріалів: від водоростей до мікропластику

Зустрічальні зони в центрі циркуляції Ланґмора надзвичайно ефективно збирають плавучі матеріали, що й пояснює, чому Ірвін Ланґмур спочатку помітив цей феномен через лінії плаваючої саргассової води. Ця сама зустрічальна механізм має значні практичні наслідки для розподілу забруднення в океані. Плаваюче нафта з розливів захоплюється у вузькі, сконцентровані смуги вітрового руху, а не рівномірно розповсюджується, що може локально збільшити видимий товщину та видимість мазуту, одночасно залишаючи навколишню воду порівняно чистою, ускладнюючи як виявлення за допомогою дистанційного зондування, так і планування заходів з очищення. Мікропластикові частинки, які часто перебувають поблизу нейтральної плавучості або лише слабко плавучі, також концентруються в цих зустрічних лініях, і дослідження все більше свідчать про те, що циркуляція Ланґмура, поряд з більшими масштабами збіжностей, суттєво сприяє нерівномірному, волокнистому розподілу мікропластику, спостерігається в поверхневих океанічних опитуваннях, а не рівномірному розповсюдженню. Піна та бульбашкові хмари, що утримуються під час руйнування хвиль, також захоплюються смугами вітрового руху, і оскільки бульбашки розсіюють звук і посилюють газообмін між океаном і повітрям локально, їх організоване розподілення Ланґмурівськими клітинами має вимірні ефекти на підводний акустику та оцінки потоків газів поблизу поверхні. Навіть біологічні матеріали, включаючи деякі види фітопланктону з контролем плавучості та невеликих зоопланктона, можуть концентруватися в зустрічних зонах, створюючи тонкі, багаті на біологічний речовини поверхневі шари, які, у свою чергу, приваблюють рибу-хижака та чайок.

Спостереження та моделювання лангмурського обертання

Через відносно невеликий розмір і коротший термін служби лангмурських комірок порівняно з великими океанічними течіями, їх вивчення історично потребувало комбінації безпосереднього візуального спостереження, експериментів із зафарбовуванням фарбами та, останнім часом, дистанційного зондування та чисельних симуляцій. Ранні дослідження базувалися на аерофотозйомці вітрових рядів і випуску фарби з кораблів для визначення відстаней між комірками та сили обертання, тоді як сучасні дослідження все більше використовують високоточні великі симуляції турбулентності (LES), які явно розв’язують взаємодію між вітровим тертям, відштовхуванням Стокса та турбулентністю, дозволяючи дослідникам перевіряти теорію Крайка-Лейбовича проти детальних тривимірних потокових полів замість поверхневих спостережень. Дистанційне зондування супутниками та радарами може виявляти вітрові ряди на великих ділянках, вимірюючи незначні зміни у поверхневій шероховатості, спричинені чергуванням збіжної та відхильної конвекції, оскільки зони збіжності схильні приглушувати невеликі капілярні хвилі за рахунок накопичення поверхневого плівкового або уламкового матеріалу, що впливає на те, як відбивається радаром назадний сигнал. Операційні океанографічні та кліматичні моделі все більше інтегрують параметризацію лангмурського турбулентності безпосередньо в їх фізику змішаної шари, оскільки ігнорування цього механізму може призвести до систематичних упереджень у прогнозованій поверхневій температурі моря та глибині змішаного шару, що має наслідки для прогнозів погоди та клімату. Це поєднання теорії гідродинаміки рідини, польових спостережень і сучасних обчислювальних моделей перетворило лангмурське обертання з дивовижного візуального явища, спочатку поміченого з палуби корабля, на кількісно важливий і активно вивчений компонент верхнього океану фізики.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Langmuir Circulation: Wind-Driven Ocean Windrows і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.