El transporte de Ekman , parte de la teoría del movimiento de Ekman investigada por primera vez en 1902 por Vagn Walfrid Ekman , se refiere al transporte neto impulsado por el viento de la capa superficial de un fluido que, debido al efecto Coriolis, ocurre a 90 ° en la dirección de la superficie. viento. Este fenómeno fue observado por primera vez por Fridtjof Nansen , quien registró que el transporte de hielo parecía ocurrir en ángulo con respecto a la dirección del viento durante su expedición al Ártico durante la década de 1890. [1]La dirección de transporte depende del hemisferio: en el hemisferio norte , el transporte se produce a 90 ° en el sentido de las agujas del reloj desde la dirección del viento, mientras que en el hemisferio sur se produce a 90 ° en el sentido contrario a las agujas del reloj.
Teoría [ editar ]
La teoría de Ekman explica el estado teórico de la circulación si las corrientes de agua fueran impulsadas solo por la transferencia de impulso del viento. En el mundo físico, esto es difícil de observar debido a las influencias de muchas fuerzas impulsoras de corriente simultáneas (por ejemplo, gradientes de presión y densidad ). Aunque la siguiente teoría se aplica técnicamente a la situación idealizada que involucra solo las fuerzas del viento, el movimiento de Ekman describe la porción de circulación impulsada por el viento que se ve en la capa superficial. [3] [4]
Las corrientes superficiales fluyen en un ángulo de 45 ° con el viento debido al equilibrio entre la fuerza de Coriolis y los arrastres generados por el viento y el agua. [5] Si el océano se divide verticalmente en capas delgadas, la magnitud de la velocidad (la velocidad) disminuye desde un máximo en la superficie hasta que se disipa. La dirección también cambia ligeramente a través de cada capa subsiguiente (derecha en el hemisferio norte e izquierda en el hemisferio sur). Esto se llama la espiral de Ekman . [6] La capa de agua desde la superficie hasta el punto de disipación de esta espiral se conoce como la capa de Ekman.. Si todo el flujo sobre la capa de Ekman está integrado, el transporte neto está a 90 ° a la derecha (izquierda) del viento de la superficie en el hemisferio norte (sur). [2]
Derivación matemática [ editar ]
Se deben hacer algunas suposiciones de la dinámica de fluidos involucrada en el proceso para simplificar el proceso hasta un punto donde sea solucionable. Las suposiciones hechas por Ekman fueron: [7]
- sin límites;
- agua infinitamente profunda;
- viscosidad de Foucault ,, es constante (esto solo es cierto para el flujo laminar. En la turbulenta capa atmosférica y del límite oceánico es una función importante de la profundidad);
- el viento forzado es constante y ha estado soplando durante mucho tiempo;
- Condiciones barotrópicas sin flujo geostrófico;
- el parámetro de Coriolis, se mantiene constante.
Las ecuaciones simplificadas para la fuerza de Coriolis en las direcciones x e y siguen a partir de estas suposiciones:
- (1)
- (2)
dónde es el estrés del viento, es la densidad, es la velocidad este-oeste, y Es la velocidad norte-sur.
Integrando cada ecuación en toda la capa de Ekman:
dónde
aquí y representan los términos de transporte de masa zonal y meridional con unidades de masa por unidad de tiempo por unidad de longitud. Contrariamente a la lógica común, los vientos de norte a sur causan transporte masivo en la dirección este-oeste. [8]
Para comprender la estructura de la velocidad vertical de la columna de agua, las ecuaciones 1 y 2 se pueden reescribir en términos del término de viscosidad vertical de Foucault.
dónde Es el coeficiente de viscosidad eddy vertical.
Esto da un conjunto de ecuaciones diferenciales de la forma.
Para resolver este sistema de dos ecuaciones diferenciales, se pueden aplicar dos condiciones de contorno:
- como
- la fricción es igual a la tensión del viento en la superficie libre ().
Las cosas se pueden simplificar aún más considerando el viento que sopla solo en la dirección y . Esto significa que los resultados serán relativos a un viento norte-sur (aunque estas soluciones podrían producirse en relación con el viento en cualquier otra dirección): [9]
- (3)
dónde
- y representar el transporte de Ekman en la dirección u y v ;
- en la ecuación 3, el signo más se aplica al hemisferio norte y el signo menos al hemisferio sur;
- es la tensión del viento en la superficie del mar;
- Es la profundidad de Ekman (profundidad de la capa de Ekman).
Al resolver esto en z = 0, se encuentra que la corriente de superficie es (como se espera) 45 grados a la derecha (izquierda) del viento en el hemisferio norte (sur). Esto también da la forma esperada de la espiral de Ekman, tanto en magnitud como en dirección. [9] La integración de estas ecuaciones sobre la capa de Ekman muestra que el término neto de transporte de Ekman es de 90 grados a la derecha (izquierda) del viento en el hemisferio norte (sur).
Aplicaciones [ editar ]
- El transporte de Ekman conduce a un surgimiento costero , que proporciona el suministro de nutrientes para algunos de los mercados de pesca más grandes del planeta [10] y puede afectar la estabilidad de la capa de hielo antártico al arrastrar agua profunda y cálida a la plataforma continental. [11] [12] El viento en estos regímenes sopla paralelo a la costa (como en la costa de Perú , donde sopla el viento del sureste, y también en California, donde sopla del noroeste). Desde el transporte de Ekman, el agua superficial tiene un movimiento neto de 90 ° a la derecha de la dirección del viento en el hemisferio norte (a la izquierda en el hemisferio sur). Debido a que el agua superficial fluye lejos de la costa, el agua debe ser reemplazada con agua desde abajo. [13] En aguas costeras poco profundas, la espiral de Ekman normalmente no está completamente formada y los eventos de viento que causan episodios de surgencias son típicamente bastante cortos. Esto conduce a muchas variaciones en el alcance de la surgencia, pero las ideas siguen siendo generalmente aplicables. [14]
- El transporte de Ekman funciona de manera similar en el surgimiento ecuatorial , donde, en ambos hemisferios, un componente de los vientos alisios hacia el oeste provoca un transporte neto de agua hacia el polo, y un componente de los vientos alisios hacia el este provoca un transporte neto de agua desde el exterior. polo. [10]
- En escalas más pequeñas, los vientos ciclónicos inducen el transporte de Ekman que causa divergencia y surgencia neta, o succión de Ekman, [10] mientras que los vientos anticiclónicos causan convergencia y bajada netas, o bombeo de Ekman [15]
- El transporte de Ekman también es un factor en la circulación de los giros oceánicos . El transporte de Ekman hace que el agua fluya hacia el centro del giro en todas las ubicaciones, creando una superficie del mar inclinada e iniciando el flujo geostrófico (Recopilación p. 65). Harald Sverdrup aplicó el transporte de Ekman mientras incluía fuerzas de gradiente de presión para desarrollar una teoría para esto (ver balance de Sverdrup ).
El Niño-Oscilación del Sur ( ENOS ) es una variación irregular periódica de los vientos y las temperaturas de la superficie del mar sobre el Océano Pacífico oriental tropical , que afecta el clima de gran parte de los trópicos y subtrópicos. La fase de calentamiento de la temperatura del mar se conoce como El Niño y la fase de enfriamiento como La Niña . La Oscilación del Sur es el componente atmosférico que lo acompaña, junto con el cambio de la temperatura del mar: El Niño está acompañado por una alta presión en la superficie del aire en el Pacífico occidental tropical y La Niña con una baja presión en la superficie del aire. [1][2] Los dos períodos duran varios meses cada uno y generalmente ocurren cada pocos años con intensidad variable por período. [3]
Las dos fases se relacionan con la circulación de Walker , que fue descubierta por Gilbert Walker a principios del siglo XX. La circulación de Walker es causada por la fuerza del gradiente de presión que resulta de un sistema de alta presión sobre el Océano Pacífico oriental y un sistema de baja presión sobre Indonesia . El debilitamiento o la reversión de la circulación de Walker disminuye o elimina el afloramiento del agua fría profunda del mar , creando así un El Niñoal hacer que la superficie del océano alcance temperaturas por encima del promedio. Una circulación especialmente fuerte de Walker provoca una La Niña., resultando en temperaturas del océano más frías debido al aumento de afloramientos.
Los mecanismos que provocan la oscilación quedan en estudio. Los extremos de las oscilaciones de este patrón climático causan un clima extremo (como inundaciones y sequías) en muchas regiones del mundo. Los países en desarrollo que dependen de la agricultura y la pesca, en particular los que bordean el Océano Pacífico, son los más afectados.
Esquema [ editar ]
El Niño-Oscilación del Sur es un fenómeno climático único que fluctúa periódicamente entre tres fases: Neutral, La Niña o El Niño. [4] La Niña y El Niño son fases opuestas que requieren que se realicen ciertos cambios tanto en el océano como en la atmósfera antes de que se declare un evento. [4]
Normalmente, la corriente de Humboldt que fluye hacia el norte trae agua relativamente fría desde el océano surhacia el norte a lo largo de la costa oeste de América del Sur hasta los trópicos, donde se ve reforzada por las crecidas que se producen a lo largo de la costa de Perú . [5] [6] A lo largo del ecuador, los vientos alisios hacen que las corrientes oceánicas en el Pacífico oriental atraigan el agua desde el océano más profundo hacia la superficie, enfriando así la superficie del océano. [6] Bajo la influencia de los vientos alisios ecuatoriales, esta agua fría fluye hacia el oeste a lo largo del ecuador, donde el sol lo calienta lentamente. [5]Como resultado directo, las temperaturas de la superficie del mar en el Pacífico occidental son generalmente más cálidas, alrededor de 8–10 ° C (14–18 ° F) que las del Pacífico Oriental. [5] Esta área más cálida del océano es una fuente de convección y está asociada con la nubosidad y la lluvia. [6] Durante los años de El Niño, el agua fría se debilita o desaparece por completo a medida que el agua en el Pacífico Central y Oriental se vuelve tan cálida como el Pacífico Occidental. [5]
Circulación Walker [ editar ]
La circulación de Walker es causada por la fuerza del gradiente de presión que resulta de un sistema de alta presión sobre el Océano Pacífico oriental y un sistema de baja presión sobre Indonesia . Las circulaciones Walker de las cuencas tropicales de la India, el Pacífico y el Atlántico producen vientos en la superficie del oeste en el verano septentrional en la primera cuenca y vientos del este en la segunda y tercera cuencas. Como resultado, la estructura de temperatura de los tres océanos muestra dramáticas asimetrías. El Pacífico ecuatorial y el Atlántico tienen temperaturas superficiales frías en el verano septentrional en el este, mientras que las temperaturas superficiales más frías prevalecen solo en el Océano Índico occidental. [7] Estos cambios en la temperatura de la superficie reflejan cambios en la profundidad de la termoclina. [8]
Los cambios en la circulación de Walker con el tiempo se producen junto con los cambios en la temperatura de la superficie. Algunos de estos cambios son forzados externamente, como el cambio estacional del sol hacia el hemisferio norte en verano. Otros cambios parecen ser el resultado de retroalimentación acoplada océano-atmósfera en la que, por ejemplo, los vientos del este causan que la temperatura de la superficie del mar caiga en el este, aumentando el contraste de calor zonal y, por lo tanto, intensificando los vientos del este a través de la cuenca. Estos vientos del este anómalos inducen más afloramientos ecuatorialesy elevar la termoclina en el este, amplificando el enfriamiento inicial de los sureños. Esta retroalimentación acoplada océano-atmósfera fue propuesta originalmente por Bjerknes. Desde un punto de vista oceanográfico, la lengua fría ecuatorial es causada por los vientos del este. Si el clima de la Tierra fuera simétrico con respecto al ecuador, el viento ecuatorial se desvanecería, y la lengua fría sería mucho más débil y tendría una estructura zonal muy diferente a la que se observa hoy. [9]
Durante condiciones que no son de El Niño, la circulación de Walker se ve en la superficie como vientos alisios del este que mueven el agua y el aire calentados por el sol hacia el oeste. Esto también crea afloramientos oceánicos en las costas de Perú y Ecuador y trae agua fría rica en nutrientes a la superficie, aumentando las reservas de pesca. [10] El lado occidental del Pacífico ecuatorial se caracteriza por un clima cálido, húmedo y de baja presión, ya que la humedad recolectada se descarga en forma de tifones y tormentas eléctricas . El océano es unos 60 cm (24 pulgadas) más alto en el Pacífico occidental como resultado de este movimiento. [11] [12] [13] [14]
Oscilación de temperatura superficial del mar [ editar ]
Dentro de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica de los Estados Unidos, las temperaturas de la superficie del mar en la región del Niño 3.4, que se extiende desde los meridianos 120º a 170º de longitud oeste a lo largo del ecuador, se controlan cinco grados de latitud a cada lado. Esta región se encuentra aproximadamente a 3,000 kilómetros (1,900 mi) al sureste de Hawai . Se calcula el promedio más reciente de tres meses para el área, y si la región está más de 0.5 ° C (0.9 ° F) por encima de lo normal (o por debajo) de ese período, entonces se considera El Niño (o La Niña) en Progreso. [15] La Oficina Meteorológica del Reino Unido también utiliza un período de varios meses para determinar el estado de ENSO. [dieciséis] Cuando este calentamiento o enfriamiento se produce durante solo siete a nueve meses, se clasifica como "condiciones" de El Niño / La Niña; cuando ocurre por más de ese período, se clasifica como "episodios" de El Niño / La Niña. [17]
Fase neutra [ editar ]
Si la variación de temperatura de la climatología está dentro de 0.5 ° C (0.9 ° F), las condiciones ENSO se describen como neutrales. Las condiciones neutrales son la transición entre las fases cálidas y frías de ENOS. Las temperaturas del océano (por definición), la precipitación tropical y los patrones de viento están cerca de las condiciones promedio durante esta fase. [18] Cerca de la mitad de todos los años se encuentran en períodos neutrales. [19] Durante la fase de ENSO neutral, otras anomalías / patrones climáticos, como el signo de la Oscilación del Atlántico Norte o el patrón de teleconexión del Pacífico-Norteamérica, ejercen una mayor influencia. [20]
Fase caliente [ editar ]
Cuando la circulación de Walker se debilita o se invierte y la circulación de Hadley fortalece los resultados de El Niño, [21] lo que hace que la superficie del océano sea más cálida que el promedio, ya que el surgimiento de agua fría ocurre menos o nada en el mar en el noroeste de Sudamérica. El Niño ( / ɛ l n i n j oʊ / , / - n ɪ n - / , pronunciación española: [el niɲo] ) se asocia con una banda de más cálidas que las temperaturas medias del agua del océano que se desarrolla periódicamente fuera de la costa del Pacífico de america del sur. El niño es españolpara "el niño", y el término en mayúsculas El Niño se refiere al niño Jesús, Jesús, porque el calentamiento periódico en el Pacífico cerca de Sudaméricageneralmente se nota alrededor de la Navidad . [22] Es una fase de 'El Niño – Oscilación del Sur' (ENOS), que se refiere a las variaciones en la temperatura de la superficie del Océano Pacífico oriental tropical y en la presión de la superficie del aire en el Pacífico occidental tropical. La fase oceánica cálida, El Niño, acompaña la alta presión de la superficie del aire en el Pacífico occidental. [1] [23] Los mecanismos que causan la oscilación permanecen en estudio.
Fase fría [ editar ]
Una circulación especialmente fuerte de Walker causa una La Niña, lo que resulta en temperaturas oceánicas más frías en el Océano Pacífico central y oriental tropical debido al aumento de afloramientos. La Niña ( / l ɑː n i n j ə / , pronunciación española: [la niɲa] ) es un fenómeno océano-atmósfera que es la contraparte de El Niño como parte del fenómeno El Niño más amplio patrón climático . El nombre La Niña se origina en español , que significa "la niña", análogo a El Niño que significa "el niño". [24] Durante un período de La Niña, la temperatura de la superficie del mar.en todo el Pacífico central ecuatorial será inferior a lo normal entre 3 y 5 ° C. En los Estados Unidos, una aparición de La Niña ocurre durante al menos cinco meses de condiciones de La Niña. Sin embargo, cada país y nación insular tiene un umbral diferente para lo que constituye un evento de La Niña, que se adapta a sus intereses específicos. [25] La Agencia Meteorológica de Japón, por ejemplo, declara que un evento de La Niña comenzó cuando la desviación promedio de la temperatura de la superficie del mar en cinco meses para la región NINO.3 está por encima de 0,5 ° C (0,90 ° F) más fría durante 6 meses consecutivos o más. [26]
Fases de transición [ editar ]
Las fases de transición al comienzo o la salida de El Niño o La Niña también pueden ser factores importantes en el clima global al afectar las teleconexiones . Los episodios significativos, conocidos como Trans-Niño, se miden mediante el índice Trans-Niño (TNI) . [27] Entre los ejemplos de clima de corta duración afectado en América del Norte se incluyen las precipitaciones en el noroeste de los Estados Unidos [28] y la intensa actividad de tornados en los Estados Unidos contiguos.
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