境界電流

境界流は海岸線の存在によって決定される力学を持つ海流であり、西境界流と東境界流という 2 つの異なるカテゴリに分類されます。

東境界流は比較的浅く、幅が広く、流れが遅い。海洋盆地の東側（大陸の西岸に隣接）に見られる。亜熱帯東境界流は赤道方向に流れ、高緯度から低緯度に冷たい水を運ぶ。例としては、ベンゲラ海流、カナリア海流、フンボルト（ペルー）海流、カリフォルニア海流などがある。沿岸湧昇によって栄養分が豊富な水が東境界流域にもたらされることが多く、海洋の生産性の高い地域となっている。

西境海流は、亜熱帯または低緯度西境海流に分けられる。亜熱帯西境海流は、西方強化により海洋盆地の西側に形成される、暖かく、深く、狭く、流れの速い海流である。熱帯から極方向に暖かい水を運ぶ。例としては、メキシコ湾流、アガラス海流、黒潮などがある。低緯度西境海流は亜熱帯西境海流に似ているが、亜熱帯から赤道方向に冷たい水を運ぶ。例としては、ミンダナオ海流、北ブラジル海流などがある。

西方強化は、海洋流の西側の腕、特にそのような海盆内の大きな環流に当てはまります。貿易風は熱帯では西向きに吹きます。偏西風は中緯度で東向きに吹きます。これにより、北半球と南半球で渦を巻く応力が海洋表面に加わり、赤道方向 (熱帯方向) へのスベルドラップ輸送が発生します。質量と位置渦度が保存されるため、その輸送は西海岸に沿って流れる狭く強い極向きの海流によってバランスが取られ、沿岸摩擦によってもたらされる渦度が風の渦度入力とバランスをとることができます。極環流では逆の効果が適用され、風応力の渦度の符号と結果として生じる海流の方向が逆になります。主な西側の流れ (北大西洋のメキシコ湾流など) は、反対方向の流れ(北太平洋のカリフォルニア海流など) よりも強くなります。その仕組みはアメリカの海洋学者ヘンリー・ストンメルによって明らかにされた。

1948 年、ストンメルはアメリカ地球物理学連合の Transactionsに「風力による海流の西方への強化」という重要な論文^[1]を発表しました。この論文では、単純で均質な長方形の海洋モデルを使用して、非回転フレームの海洋、一定のコリオリ パラメータを持つ海洋、そして最後に緯度によって変化するコリオリ パラメータを持つ実際の海洋盆地の流線と表面高度の等高線を調べました。この単純なモデル化では、海洋循環に影響を与える主な要因として次のことが考慮されました。

• 表面風圧
• 底摩擦
• 表面の高さが変動し、水平方向の圧力勾配が生じる
• コリオリの力。

ここで、ストンメルは海流を考慮し、一定の密度と深さの海を仮定しました。また、実際の海の加速を妨げる散逸効果を考慮するために、線形化された摩擦項を導入しました。したがって、彼は定常状態の運動量と連続性の方程式から始めます。 ${\displaystyle D+h}$

${\displaystyle f(D+h)vF\cos \left({\frac {\pi y}{b}}\right)-Ru-g(D+h){\frac {\partial h}{\partial x}}=0\qquad (1)}$

${\displaystyle \quad -f(D+h)u-Rv-g(D+h){\frac {\partial h}{\partial y}}=0\qquad \qquad (2)}$

${\displaystyle \qquad \qquad {\frac {\partial [(D+h)u]}{\partial x}}+{\frac {\partial [(D+h)v]}{\partial y}}=0\qquad \qquad \qquad (3)}$

ここではコリオリの力の強さ、は底面摩擦係数、は重力、 は風の力です。 風は では西に、 では東に吹いています。 ${\displaystyle f}$${\displaystyle R}$${\displaystyle g\,\,}$${\displaystyle -F\cos \left({\frac {\pi y}{b}}\right)}$${\displaystyle y=0}$${\displaystyle y=b}$

（１）に を作用させ、（２）に を作用させ、減算し、（３）を用いると、 ${\displaystyle {\frac {\partial }{\partial y}}}$${\displaystyle {\frac {\partial }{\partial x}}}$

${\displaystyle v(D+h)\left({\frac {\partial f}{\partial y}}\right)+{\frac {\pi F}{b}}\sin \left({\frac {\pi y}{b}}\right)+R\left({\frac {\partial v}{\partial x}}-{\frac {\partial u}{\partial y}}\right)=0\quad (4)}$

ストリーム関数 を導入し、 と仮定して線形化すると、式(4)は次のように簡約される。 ${\displaystyle \psi }$${\displaystyle D>>h}$

${\displaystyle \nabla ^{2}\psi +\alpha \left({\frac {\partial \psi }{\partial x}}\right)=\gamma \sin \left({\frac {\pi y}{b}}\right)\qquad (5)}$

ここ

${\displaystyle \alpha =\left({\frac {D}{R}}\right)\left({\frac {\partial f}{\partial y}}\right)}$

そして

${\displaystyle \gamma ={\frac {\pi F}{Rb}}}$

境界条件が海岸線上で一定であり、が異なる値である場合の(5)の解は、緯度によるコリオリパラメータの変化が西の境界流の強化を誘発する役割を強調している。このような流れは、東のそれよりもはるかに速く、深く、狭く、暖かいことが観測されている。 ${\displaystyle \psi }$${\displaystyle \alpha }$

回転しない状態（コリオリのパラメータがゼロ）で、それが一定である場合、海洋循環は西の境界付近で強化/加速を好みません。均一に回転する海洋では、流線はすべての方向で対称的な動作を示し、高度等高線は流線とほぼ平行な関係を示します。最後に、回転球面（コリオリの力が緯度によって異なる場合）では、非対称の流線の明確な傾向が見られ、西海岸に沿って集中しています。流れが均一に回転する場合のそのような海洋の流線と高度等高線の分布のモデル内の数学的にエレガントな図は、論文に記載されています。

西部の激化の物理的性質は、海洋環流に沿った渦のバランスを維持するメカニズムを通じて理解できる。ヘンリー・ストンメルに先駆けて、海面の風の力と上層海洋内の物質輸送との関係を調べることで海洋中央部の渦度バランスを説明しようとした最初の人物はハラルド・スヴェルドラップであった。彼は地衡流を仮定し、摩擦や粘性の影響を無視し、海洋のある深さで循環が消滅すると仮定した。これにより彼の理論を西部境界流に適用することができなかった。というのも、後に海洋盆地全体の閉じた循環を予測し、風による流れに対抗するには、何らかの形の散逸効果（底部のエクマン層）が必要であることが示されたからである。

スヴェルドラップは、海洋の正味の内部流と表面風の応力および誘発される惑星の渦度の擾乱を結び付けるために、渦位の議論を導入した。例えば、亜熱帯におけるエクマン収束（熱帯の貿易風と中緯度の偏西風の存在に関連）は、下向きの鉛直速度をもたらし、したがって水柱を押しつぶし、その結果、海洋環流の回転が遅くなる（角運動量保存による）と示唆された。これは、惑星の渦度の減少によって達成され（相対的な渦度の変化は大規模な海洋循環では重要ではないため）、亜熱帯環流の特徴である赤道方向の内部流によって達成される現象である。^[2]エクマン発散が誘発されると、その逆が当てはまり、エクマン吸収（吸引）とそれに続く水柱の伸張および極方向への戻り流が起こり、亜極環流の特徴となる。

^{ストンメル[1]}が示し​​たように、この戻り流は海盆の西側境界付近に集中する南北流で発生します。風の応力強制によって誘発される渦度源のバランスをとるために、ストンメルはスベルドラップ方程式に渦度シンクとして機能する線形摩擦項を導入しました。この海底の水平流に対する摩擦抵抗により、ストンメルは理論的に閉じた海盆全体の循環を予測し、風駆動の環流の西向きの強化とそれが緯度によるコリオリの変動 (ベータ効果) に起因することを実証しました。ウォルター・ムンク(1950) は、より現実的な摩擦項を使用してストンメルの西側強化理論をさらに実装し、「渦エネルギーの横方向の消散」を強調しました。^[3]このようにして、彼はストンメルの結果を再現し、メキシコ湾流に似た海洋環流の西側境界流の循環を再現しただけでなく、亜極環流が亜熱帯環流の北方に発達し、反対方向に回転することを示した。

観測によると、亜熱帯西部境界流上の海洋温暖化は、地球全体の平均表面海洋温暖化の2～3倍の強さを示しています。 ^[4]ある研究^[5]では、この温暖化の強化は、地球温暖化によるハドレー循環の拡大の副作用として西部境界流が激化し、極方向へ移動したことに起因する可能性があることがわかりました。^{[6] [7] [8]}これらの温暖化ホットスポットは、米国東海岸沿いの急速な海面上昇、^[9]メイン湾^[10]とウルグアイの漁業の崩壊など、深刻な環境問題と経済問題を引き起こしています。^[11]

• エクマン輸送 – 風向に垂直な表面水の純輸送
• 海洋環流 – 循環する海洋表面流の大規模なシステム
• スベルドラップバランス – 海洋学における理論的関係

• AMS 用語集^{[永久リンク切れ‍ ]}
• UCSC の Raphael Kudela 教授、2007 年秋 OCEA1 で講義
• ムンク、WH、「風駆動海洋循環について」、J. Meteorol.、Vol. 7、1950年
• Stewart, R. "11". 風力による海洋循環。2011-11-21 にオリジナルからアーカイブ。2011-12-08に取得。 {{cite book}}:|website=無視されました (ヘルプ)
• スティール、ジョン H.; 他 (2010 年 10 月 22 日)。海洋流: 海洋科学百科事典の派生。アカデミック プレス。ISBN 9780080964867。
• ストンメル、H.、「風力による海流の西方への強化」、アメリカ地球物理学連合論文集、第29巻、1948年
• スヴェルドラップ、ハラルド (1947)。傾圧海洋における風駆動流、東太平洋の赤道流への応用。米国科学アカデミー紀要(報告書)。第 33 巻。JSTOR  87657。PMC 1079064 。
• サーマン、ハロルド V.、トルヒーヨ、アラン P.、『海洋学入門』、第 10 版。ISBN 0-13-143888-3 

• 生物物理学.sbg.ac.at (JPG)
• learner.org 2011-09-04 にWayback Machineでアーカイブされました
• aos.princeton.edu (PDF)