Atmosférický příliv - Atmospheric tide - Wikipedia

Atmosférické přílivy jsou periodické oscilace globálního měřítka atmosféra. V mnoha ohledech jsou analogické přílivy oceánů. Přílivy mohou být vzrušeny:

• Pravidelný den –noc cyklus ve slunečním ohřevu atmosféry (sluneční záření )
• The gravitační pole zatáhnout za Měsíc
• Nelineární interakce mezi přílivy a odlivy planetární vlny.
• Velké latentní teplo propuštění kvůli hluboká konvekce v tropy.

Obecná charakteristika

Atmosférické přílivy s největší amplitudou se většinou generují v troposféra a stratosféra když atmosféra je pravidelně zahříván, jako vodní pára a ozón absorbovat solární radiace během dne. Tyto přílivy se šíří pryč od zdrojových oblastí a stoupají do mezosféra a termosféra. Atmosférické přílivy lze měřit jako pravidelné kolísání vítr, teplota, hustota a tlak. Ačkoli atmosférické přílivy mají mnoho společného s přílivy oceánů, mají dva klíčové charakteristické rysy:

1. Atmosférické přílivy jsou primárně vzrušovány slunce ohřev atmosféry, zatímco přílivy oceánů jsou vzrušovány Měsíc gravitační síla a v menší míře i sluneční gravitace. To znamená, že většina atmosférických přílivů má období kmitání související s 24hodinovou délkou sluneční den vzhledem k tomu, že přílivy a odlivy oceánů mají období oscilace související jak s sluneční den stejně jako na delší lunární den (čas mezi po sobě jdoucími měsíčními průchody) asi 24 hodin 51 minut.
2. Atmosférické přílivy se šíří v atmosféře, kde se hustota významně mění výška. Důsledkem toho je, že jejich amplitudy přirozeně exponenciálně se zvyšuje jak příliv stoupá do postupně zředěnějších oblastí atmosféry (vysvětlení tohoto jevu viz níže). Naproti tomu hustota oceánů se liší jen mírně hloubka a tak se příliv a odliv nemusí nutně lišit v amplitudě a hloubce.

Na úrovni země lze atmosférické přílivy detekovat jako pravidelné, ale malé oscilace povrchového tlaku s periodami 24 a 12 hodin. Ve větších výškách však mohou být amplitudy přílivu a odlivu velmi velké. V mezosféře (výšky ~ 50–100 km) mohou atmosférické přílivy dosáhnout amplitud více než 50 m / s a ​​jsou často nejvýznamnější částí pohybu atmosféry.

Důvod tohoto dramatického nárůstu amplitudy od drobných výkyvů blízko země k oscilacím, které dominují pohybu mezosféry, spočívá ve skutečnosti, že hustota atmosféry klesá s rostoucí výškou. Jak se přílivy nebo vlny šíří nahoru, pohybují se do oblastí s nižší a nižší hustotou. Pokud se příliv nebo vlna nerozptýlí, pak je Kinetická energie hustota musí být zachována. Protože hustota klesá, odpovídajícím způsobem se zvyšuje amplituda přílivu nebo vlny energie je zachována.

V návaznosti na tento růst s výškou mají přílivy a odlivy atmosféry mnohem větší amplitudy ve střední a vyšší atmosféře než na úrovni země.

Solární atmosférické přílivy

Největší amplituda atmosférických přílivů je generována periodickým zahříváním atmosféry Sluncem - atmosféra se zahřívá během dne a neohřívá se v noci. Tento pravidelný denní (denní) cyklus vytápění se generuje tepelné přílivy které mají období související se slunečním dnem. Dalo by se zpočátku očekávat, že toto denní zahřátí způsobí příliv a odliv po dobu 24 hodin, což odpovídá periodicitě ohřevu. Pozorování však ukazují, že přílivy s velkou amplitudou jsou generovány s periodami 24 a 12 hodin. Přílivy byly také pozorovány s periodami 8 a 6 hodin, ačkoli tyto poslední přílivy mají obecně menší amplitudy. K této sadě period dochází, protože sluneční ohřev atmosféry probíhá přibližně čtvercová vlna profil a tak je bohatý na harmonické. Když je tento vzor rozložen na samostatné frekvenční komponenty pomocí a Fourierova transformace, stejně jako průměrná a denní (24hodinová) variace jsou vytvářeny významné oscilace s periodami 12, 8 a 6 hodin. Přílivy generované gravitačním účinkem slunce jsou mnohem menší než přílivy generované solárním ohřevem. Solární příliv a odliv bude od tohoto okamžiku označovat pouze tepelné solární přílivy.

Sluneční energie je absorbována v atmosféře, což je v této souvislosti nejvýznamnější vodní pára v (≈0–15 km) v troposféra, ozón na (≈30 až 60 km) v stratosféra a molekulární kyslík a molekulární dusík ve vzdálenosti (≈120 až 170 km) v termosféra. Rozdíly v globálním rozšíření a hustotě těchto druhů vedou ke změnám v amplitudě slunečních přílivů. Přílivy a odlivy jsou ovlivněny také prostředím, přes které cestují.

Solární příliv lze rozdělit na dvě složky: migrující a nemigrující.

Migrující sluneční přílivy

Obrázek 1. Přílivová teplota a poruchy větru ve výšce 100 km za září 2005 jako funkce světového času. Animace je založena na pozorováních z nástrojů SABRE a TIDI na palubě NAČASOVANÝ satelit. Ukazuje superpozici nejdůležitějších denních a semidiurnálních slapových složek (migrace + nemigrace).

Migrující přílivy a odlivy jsou synchronní se sluncem - z pohledu stacionárního pozorovatele na zemi se šíří na západ zjevným pohybem slunce. Vzhledem k tomu, že migrační příliv a odliv zůstávají fixní vzhledem ke slunci, vytváří se vzorec excitace, který je také fixní vzhledem ke slunci. Změny přílivu a odlivu pozorované ze stacionárního hlediska na povrch Země jsou způsobeny rotací Země vzhledem k tomuto pevnému vzoru. Sezónní variace přílivu a odlivu se vyskytují také při naklonění Země ve vztahu ke Slunci a ve vztahu k vzoru excitace.^[1]

Migrující sluneční přílivy byly rozsáhle studovány jak pozorováním, tak mechanickými modely.^[2]

Nemigrující sluneční přílivy

Nemigrující přílivy lze považovat za vlny globálního měřítka se stejnými obdobími jako migrující přílivy a odlivy. Nemigrující přílivy a odlivy však nenásledují zdánlivý pohyb slunce. Buď se nerozšíří vodorovně, šíří se na východ, nebo se šíří na západ jinou rychlostí než slunce. Tyto nemigrující přílivy a odlivy mohou být generovány rozdíly v topografie s délkou, kontrastem země-moře a povrchovými interakcemi. Důležitým zdrojem je latentní teplo propuštění kvůli hluboká konvekce v tropy.

Primární zdroj 24hodinového přílivu je ve spodní atmosféře, kde jsou důležité povrchové efekty. To se odráží v relativně velké nemigrující složce pozorované v podélných rozdílech přílivových amplitud. Byly pozorovány největší amplitudy Jižní Amerika, Afrika a Austrálie.^[3]

Měsíční atmosférické přílivy

Atmosférické přílivy a odlivy jsou vytvářeny také gravitačními účinky Měsíce.^[4] Měsíční (gravitační) přílivy jsou mnohem slabší než sluneční termální přílivy a jsou generovány pohybem oceánů Země (způsobeným Měsícem) a v menší míře účinkem gravitační přitažlivosti Měsíce na atmosféru.

Klasická přílivová teorie

Základní charakteristiky přílivu a odlivu jsou popsány v klasická přílivová teorie.^[5] Zanedbáváním mechanické tlačení a rozptýlení, klasická přílivová teorie předpokládá, že atmosférické vlnové pohyby lze považovat za lineární poruchy původně nehybného zonálního středního stavu, který je vodorovně stratifikovaný a izotermický. Dva hlavní výsledky klasické teorie jsou

• atmosférické přílivy jsou vlastní režimy atmosféry popsané Houghovy funkce
• amplitudy rostou exponenciálně s výškou.

Základní rovnice

The primitivní rovnice vést k linearizovaným rovnicím pro odchylky (proměnné s aktivací) ve sférické izotermické atmosféře:^[6]

• rovnice vodorovné hybnosti

${ displaystyle { frac { částečné u '} { částečné t}} , - , 2 Omega sin varphi , v' , + , { frac {1} {a , cos varphi}} , { frac { částečné Phi '} { částečné lambda}} = 0}$

${ displaystyle { frac { částečné v '} { částečné t}} , + , 2 Omega sin varphi , u' , + , { frac {1} {a}} , { frac { částečné Phi '} { částečné varphi}} = 0}$

• energetická rovnice

${ displaystyle { frac { částečné ^ {2}} { částečné t částečné z}} Phi ', + , N ^ {2} w' = { frac { kappa J '} {H }}}$

• rovnice spojitosti

${ displaystyle { frac {1} {a , cos varphi}} , vlevo ({ frac { částečné u '} { částečné lambda}} , + , { frac { částečný} { částečný varphi}} (v ', cos varphi) pravý) , + , { frac {1} { varrho _ {o}}} , { frac { částečný } { částečné z}} ( varrho _ {o} w ') = 0}$

s definicemi

• ${ displaystyle u}$ východní pásmový vítr
• ${ displaystyle v}$ severní polední vítr
• ${ displaystyle w}$ nahoru svislý vítr
• ${ displaystyle Phi}$ geopotenciál, ${ displaystyle int g (z, varphi) , dz}$
• ${ displaystyle N ^ {2}}$ čtverec frekvence Brunt-Vaisala (vztlak)
• ${ displaystyle Omega}$ úhlová rychlost Země
• ${ displaystyle varrho _ {o}}$ hustota ${ displaystyle propto exp (-z / H)}$
• ${ displaystyle z}$ nadmořská výška
• ${ displaystyle lambda}$ zeměpisná délka
• ${ displaystyle varphi}$ zeměpisná šířka
• ${ displaystyle J}$ rychlost ohřevu na jednotku hmotnosti
• ${ displaystyle a}$ poloměr Země
• ${ displaystyle g}$ gravitační zrychlení
• ${ displaystyle H}$ konstantní výška stupnice
• ${ displaystyle t}$ čas

Oddělení proměnných

Soubor rovnic lze vyřešit atmosférické přílivy, tj. podélně se šířící vlny zonálního vlnového čísla${ displaystyle s}$ a frekvence ${ displaystyle sigma}$. Zonální vlnové číslo ${ displaystyle s}$ je positiveinteger, takže kladné hodnoty pro ${ displaystyle sigma}$ odpovídají přílivu a odlivu na východ a záporné hodnoty přílivu a odlivu na západ. Separační přístup formy

${ displaystyle Phi '( varphi, lambda, z, t) = { hat { Phi}} ( varphi, z) , e ^ {i (s lambda - sigma t)}}$

${ displaystyle { hat { Phi}} ( varphi, z) = součet _ {n} Theta _ {n} ( varphi) , G_ {n} (z)}$

a dělat nějakou matematiku ^[7] poskytuje výrazy pro zeměpisnou šířku a svislou strukturu přílivu a odlivu.

Laplaceova přílivová rovnice

Zeměpisnou šířku přílivu a odlivu popisuje rovnice vodorovné struktury který se také nazývá Laplaceova přílivová rovnice:

${ displaystyle {L} { Theta} _ {n} + varepsilon _ {n} { Theta} _ {n} = 0}$

s Operátor Laplace

${ displaystyle {L} = { frac { částečné} { částečné mu}} vlevo [{ frac {(1- mu ^ {2})} {( eta ^ {2} - mu ^ {2})}} , { frac { částečné} { částečné mu}} pravé] - { frac {1} { eta ^ {2} - mu ^ {2}}} , left [- { frac {s} { eta}} , { frac {( eta ^ {2} + mu ^ {2})}} {( eta ^ {2} - mu ^ {2})}} + { frac {s ^ {2}} {1- mu ^ {2}}} vpravo]}$

použitím ${ displaystyle mu = sin varphi}$, ${ displaystyle eta = sigma / (2 Omega)}$ a vlastní číslo

${ displaystyle varepsilon _ {n} = (2 Omega a) ^ {2} / gh_ {n}. ,}$

Proto jsou přílivy a odlivy atmosféry eigenoscilacemi (vlastní režimy ) zemské atmosféry s vlastní funkce ${ displaystyle Theta _ {n}}$, volala Houghovy funkce, a vlastní čísla ${ displaystyle varepsilon _ {n}}$. Ty definují ekvivalentní hloubka ${ displaystyle h_ {n}}$ který spojuje šířkovou strukturu přílivu a odlivu s jejich vertikální strukturou.

Obecné řešení Laplaceovy rovnice

Obrázek 2. Vlastní číslo ε vlnových režimů počtu zonálních vln s = 1 vs. normalizovaná frekvence ν = ω / Ω, kde Ω = 7,27 x 10⁻⁵ s⁻¹ je úhlová frekvence jednoho sluneční den. Vlny s kladnými (zápornými) frekvencemi se šíří na východ (západ). Vodorovná přerušovaná čára je na ε_C ≃ 11 a označuje přechod od vnitřních k vnějším vlnám. Význam symbolů: „RH“ Rossby-Haurwitzovy vlny (ε = 0); „Y“ Yanai vlny; Vlny „K“ Kelvin; „R“ Rossbyho vlny; „DT“ denní přílivy (ν = -1); Normální režimy „NM“ (ε ≃ ε_C)

Longuet-Higgins ^[8] zcela vyřešil Laplaceovy rovnice a objevil přílivové režimy se zápornými vlastními hodnotami ε_n^s (Obrázek 2). Existují dva druhy vln: vlny třídy 1 (někdy nazývané gravitační vlny), označené pozitivním n a vlny třídy 2 (někdy nazývané rotační vlny), označené negativním n. Vlny třídy 2 vděčí za svou existenci Coriolis síla a může existovat pouze po dobu delší než 12 hodin (nebo | ν | ≤ 2). Přílivové vlny mohou být buď vnitřní (pohyblivé vlny) s kladnými vlastními hodnotami (nebo ekvivalentní hloubkou), které mají konečné vertikální vlnové délky a mohou přenášet vlnovou energii vzhůru, nebo vnější (evanescentní vlny) se zápornými vlastními hodnotami a nekonečně velkými vertikálními vlnovými délkami, což znamená, že jejich fáze zůstávají konstantní s nadmořskou výškou. Tyto režimy externích vln nemohou přenášet energii vln a jejich amplitudy exponenciálně klesají s výškou mimo jejich zdrojové oblasti. Sudá čísla n odpovídají vlnám symetrickým vzhledem k rovníku a lichá čísla odpovídající antisymetrickým vlnám. Přechod od vnitřních k vnějším vlnám se objeví na ε ≃ ε_C, nebo na svislém vlnovém čísle k_z = 0 a λ_z ⇒ ∞.

Obrázek 3. Amplitudy tlaku vs. zeměpisná šířka Houghovy funkce denního přílivu (s = 1; ν = -1) (vlevo) a semidiurnálního přílivu (s = 2; ν = -2) (vpravo) na severní polokouli. Plné křivky: symetrické vlny; přerušované křivky: antisymetrické vlny

Základní solární denní přílivový režim, který optimálně odpovídá konfiguraci solárního vstupu tepla, a proto je nejsilněji vzrušený, je Hough režim (1, -2) (Obrázek 3). To záleží na místní čas a cestuje se Sluncem na západ. Jedná se o externí režim třídy 2 a má vlastní hodnotu ε₋₂¹ = -12,56. Jeho maximální tlaková amplituda na zemi je asi 60 hPa.^[5] Největší sluneční polopůlnovou vlnou je režim (2, 2) s maximálními tlakovými amplitudami na zemi 120 hPa. Je to interní vlna třídy 1. Jeho amplituda exponenciálně roste s nadmořskou výškou. Ačkoli jeho sluneční excitace je poloviční než v případě režimu (1, -2), jeho amplituda na zemi je větší o dvojnásobek. To naznačuje účinek potlačení vnějších vln, v tomto případě čtyřikrát.^[9]

Rovnice vertikální struktury

Pro ohraničená řešení a v nadmořských výškách nad oblastí, která tlačí rovnice vertikální struktury ve své kanonické podobě je:

${ displaystyle { frac { částečné ^ {2} G_ {n} ^ { star}} { částečné x ^ {2}}} , + , alpha _ {n} ^ {2} , G_ {n} ^ { star} = F_ {n} (x)}$

s řešením

${ displaystyle G_ {n} ^ { star} (x) sim { begin {cases} e ^ {- | alpha _ {n} | x} & { text {:}} , alpha _ {n} ^ {2} <0, , { text {evanescentní nebo v pasti}} e ^ {i alpha _ {n} x} & { text {:}} , alpha _ {n } ^ {2}> 0, , { text {rozmnožování}} e ^ { left ( kappa - { frac {1} {2}} right) x} & { text {:} } , h_ {n} = H / (1- kappa), F_ {n} (x) = 0 , forall x, , { text {Jehněčí vlny (bezplatná řešení)}} end {případy }}}$

pomocí definic

• ${ displaystyle alpha _ {n} ^ {2} = kappa H / h_ {n} -1/4}$

• ${ displaystyle x = z / H}$

• ${ displaystyle G_ {n} ^ { star} = G_ {n} , varrho _ {o} ^ {1/2} , N ^ {- 1}}$

• ${ displaystyle F_ {n} (x) = - { frac { varrho _ {o} ^ {- 1/2}} {i sigma N}} , { frac { částečné} { částečné x }} ( varrho _ {o} J_ {n}).}$

Propagační řešení

Proto každý pár vlnočet / frekvence (příliv a odliv součástka) je superpozice sdruženého Houghovy funkce (často se nazývá přílivová režimy v literatuře) indexu n. Názvosloví je takové, že záporná hodnota n odkazuje na evanescentmodes (bez vertikálního šíření) a kladnou hodnotu pro režimy šíření. ekvivalentní hloubka ${ displaystyle h_ {n}}$je spojeno se svislou vlnovou délkou ${ displaystyle lambda _ {z, n}}$, od té doby ${ displaystyle alpha _ {n} / H}$ je vertikální vlnové číslo:

${ displaystyle lambda _ {z, n} = { frac {2 pi , H} { alpha _ {n}}} = { frac {2 pi , H} { sqrt {{ frac { kappa H} {h_ {n}}} - { frac {1} {4}}}}}.}$

Pro šíření řešení ${ displaystyle ( alpha _ {n} ^ {2}> 0)}$, vertikální rychlost skupiny

${ displaystyle c_ {gz, n} = H { frac { částečné sigma} { částečné alfa _ {n}}}}$

se stává pozitivním (šíření energie vzhůru), pouze pokud ${ displaystyle alpha _ {n}> 0}$ na západ${ displaystyle ( sigma <0)}$ nebo když ${ displaystyle alpha _ {n} <0}$ na východ ${ displaystyle ( sigma> 0)}$ šířící se vlny. V dané výšce ${ displaystyle x = z / H}$, vlna se maximalizuje pro

${ displaystyle K_ {n} = s lambda + alpha _ {n} x- sigma t = 0.}$

Pro pevnou délku ${ displaystyle lambda}$, to zase vždy vede k sestupné fázové progresi jako časové pokroky, nezávislé na směru šíření. Toto je důležitý výsledek interpretace pozorování: postupný vývoj fáze v čase znamená vzestupné šíření energie, a proto příliv a odliv nutící níže v atmosféře.Amplituda se zvyšuje s výškou${ displaystyle propto e ^ {z / 2H}}$, protože hustota klesá.

Ztráta

Tlumení přílivu a odlivu dochází primárně v oblasti spodní termosféry a může být způsobena turbulence od rozbití gravitační vlny. Podobný jev jako vlny oceánu narážející na a pláž, energie rozptýlí se do atmosféry pozadí. Molekulární difúze se také stává stále důležitějším na vyšších úrovních ve spodní termosféře jako znamená volnou cestu zvýšení zředěné atmosféry.^[10]

V termosférických výškách útlum atmosférických vln, hlavně kvůli srážkám mezi neutrálním plynem a ionosférickou plazmou, se stává významným, takže ve výšce nad 150 km se všechny vlnové režimy postupně stávají vnějšími vlnami a Houghovy funkce zdegenerovat na sférické funkce; např. režim (1, -2) se vyvine na sférickou funkci P₁¹(θ), režim (2, 2) se změní na P₂²(θ), s θ společná zeměpisná šířka atd.^[9] V rámci termosféra, režim (1, -2) je převládající režim dosahující denní teplotní amplitudy na exosféra nejméně 140 K a horizontální větry řádově 100 m / s a ​​více se zvyšují s geomagnetickou aktivitou.^[11] Je zodpovědný za elektrické Sq proudy uvnitř ionosférická oblast dynama mezi nadmořskou výškou 100 až 200 km.^[12]

Účinky atmosférického přílivu

Přílivy a odlivy tvoří důležitý mechanismus pro přenos energie z dolní atmosféry do horní atmosféry,^[10] zatímco dominuje dynamice mezosféry a spodní termosféry. Proto je pochopení atmosférických přílivů zásadní pro pochopení atmosféry jako celku. K monitorování a předpovídání změn v zemské atmosféře je zapotřebí modelování a pozorování přílivu atmosféry (viz ^[9]).

Viz také

• Atmosférická vlna
• Slapy
• Příliv Země
• Mezosféra
• Termosféra
• Ionosférická oblast dynama

Poznámky a odkazy