Corrientes genereadas por el viento

El efecto del viento
viento
témpanos
Circulación General –– 2 efecto del viento 1
Circulación General –– 2 efecto del viento 2
La dinámica de Ekman (1905) • La mezcla vertical en el océano es causada por la turbulencia.
• La mezcla turbulenta puede ser modelada como un proceso difusivo
pero con un coeficiente de viscosidad varios órdenes de magnitud mayor
que el molecular.
• El equilibrio básico está dado por la mezcla turbulenta vertical inducida
por el viento en la superficie y la rotación de la Tierra:
2 Ω sen ϕ u = Α/ρ ∂ 2v / ∂ z2
2 Ω sen ϕ v = Α/ρ ∂ 2u / ∂ z2
Ω es la velocidad angular de rotación de la Tierra, de modo que 2 Ω sen ϕ (el factor de
Coriolis) es el doble de la componente local del vector rotación y ϕ la latitud,
u y v son las componentes de la velocidad horizontal hacia el este (x) y norte (y), y z es
la profundidad, positiva hacia abajo Α, el coeficiente de viscosidad turbulento debe ser
determinado a partir de observaciones.
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La solución de Ekman
La solución es de la forma: [u , v] = Vo exp (‐ π z / D) [± cos (π/4 ‐ π z/D), sen (π /4 ‐ π z/D)]
+ en el HN
‐ en el HS
El viento ha sido considerado de la dirección S (hacia el N),
Vo = τ / ρ (A |f |)1/2 es la amplitud en superficie y
D = π(2 A / | f |)1/2 es la escala vertical de decaimiento exponencial a la cual la dirección de la velocidad se invierte y τ es la tensión del viento en superficie
De la elegante solución de Ekman surge:
•
•
El vector velocidad horizontal rota en función de la profundidad en sentido horario en el HN y sentido antihorario en el HS El módulo disminuye formando así la llamada “espiral de Ekman”
Circulación General –– 2 efecto del viento 4
Distribución vertical de velocidad
[u , v] = Vo exp (-z π/ D)
[cos (π/4 - z π /D), sen (π/4 -z π /D)]
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Espiral de Ekman (HN)
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Espiral de Ekman (HS)
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Espiral de Ekman (HS)
Transporte por unidad de distancia (m2 / s)
τ
= 0.1 Pa
0.08
ρ = 1026 Kg / m3
0.04
-4
A = 500 x 10 m / s
0
0.00
T = -0.97 m2 / s
10
70
150
80
60
90
300
250
200
120
130
140
110
100
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
250
260
270
280
290
50
100
40
50
30
-4
A = 100 x 10 m2 / s
20
-0.04
Velocidad N (m/s)
0
-0.10
-0.06
-0.02
0.02
Velocidad E (m/s)
Espiral de Ekman para un océano de profundidad "infinita" en el Hemisferio Sur.
La tasa de rotación y el módulo de la velocidad son funciones del coeficiente
de viscosidad turbulento A. El transporte de masa sólo es función de la tensión
del viento, la densidad y la latitud, por lo tanto es idéntica en ambos ejemplos.
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El transporte de Ekman (HS)
La integral vertical de la ecuación anterior, o el transporte de Ekman es:
∫ [ u , v ] dz = [ τ / ρ f, 0 ]
El transporte de Ekman es a 90° de la dirección del viento. Esta característica tiene
profundas consecuencias para la circulación general del océano y el clima.
La magnitud y dirección del transporte de Ekman son consecuencia de las ecuaciones de
conservación de cantidad de movimiento y son independientes del valor de A y de
cualquier otro factor asociado a la turbulencia vertical.
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Velocidad de Ekman (m/s)
Espirales en el laboratorio
-0.04
0.00
0.04
0.08
0
-0.08
-4
2
A = 100 x 10 m / s
160
Profundidad (m)
120
80
40
A = 500 x 10-4 m2 / s
200
u (m/s)
v (m/s)
2
Transporte por unidad de distancia (m / s)
τ = 0.1 Pa
3
= 1026 Kg / m
0.08
ρ
0.04
-4
A = 500 x 10 m / s
0
2
0.00
T = -0.97 m / s
10
70
60
150
80
300
290
280
270
260
250
240
230
220
210
200
190
180
170
160
150
140
130
120
110
100
90
50
100
40
50
30
-4
A = 100 x 10 m2 / s
20
-0.04
Velocidad N (m/s)
0
-0.10
-0.06
-0.02
0.02
Velocidad E (m/s)
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Espirales en el océano real ‐ I
de Price et al., Science, 1987
Circulación General –– 2 efecto del viento 11
Espirales en el océano real ‐ II
Observaciones de una respuesta
de tipo Ekman en la Corriente de
California. Las corrientes medias
observadas (izq) y dos espirales
teóricas (der) usando diferentes
difusividades eddy (274 y 1011
cm2/ s). Los números en los
vectores son las profundidades
en m. Los vectores mayores
representan el viento medio.
FIGURE 7.7
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Viento y corrientes en la capa superior
FIGURE 7.8
Tensión del viento en la superficie (rojo) y velocidad ageostrófica a 15 m
de profundidad (azul) calculadas usando 7 años de datos de boyas
derivantes y restando las velocidades geostróficas calculadas usando la
distribución climatológica de densidad de Levitus et al. (1994a). (No se
grafican vectores dentro de 5º de latitud del ecuador)
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