www.wikidata.de-de.nina.az
Aquatoriale Wellen sind in der Ozeanographie und Meteorologie Wasserwellen die sich entlang des Aquators ausbreiten Die Begrenzung auf die Aquatornahe wird dabei durch den Nulldurchgang der Corioliskraft am Aquator verursacht Typisch sind Begrenzungen auf 5 15 nordlicher bzw sudlicher Breite Die Wellen weisen dabei Wellenlangen in der Grossenordnung von 1000 km auf und sind mit den planetarischen Wellen verwandt die von Carl Gustaf Rossby untersucht wurden Rossby interessierte sich ursprunglich fur die Nord Sud Auslenkung des Jetstreams die er als Welle beschrieb Dieselben Wellengleichungen lassen sich auch im Ozean anwenden Dabei werden horizontale Auslenkungen der Thermokline betrachtet also der Wasserschicht zwischen dem warmen Oberflachenwasser und dem kalten Tiefenwasser Die Amplitude der Tiefenanderung der Thermokline liegt dabei in der Grossenordnung von 10 50 m wahrend die Oberflachenamplitude nur wenige Zentimeter betragt Die Wellenlangen liegen bei 100 1000 km bei einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von wenigen cm s d h eine Ausbreitung quer uber den Pazifik dauert mehrere Monate Eine derartige Verschiebung einer 50 m dicken Warmwasserschicht vom sudchinesischen Meer vor die Westkuste von Mittelamerika ist einer der Erklarungsversuche des El Nino Phanomens 1 Zur Beobachtung der Wellen misst man bei In situ Messungen stellvertretend fur die Thermokline die Wassertiefe der 18 Isotherme also in welcher Wassertiefe die Wassertemperatur 18 C betragt 1 Allerdings sind mittlerweile auch Satellitenmessungen genau genug um die wenigen Zentimeter der Wasseroberflachenhohe SSH fur sea surface height aufzulosen Zugleich werden auch andere Parameter wie die Temperatur SST fur sea surface temperature mitgemessen 2 Unter den aquatorialen Wellen unterscheidet man die aquatorialen Rossby Wellen und die Tragheitsschwerewellen mit Moden m 1 2 Daruber hinaus treten dabei noch Yanai Wellen auf die sich als m 0 Mode derselben Dispersionsrelationen auffassen lassen Die aquatorialen Kelvin Wellen werden durch vereinfachte Wellengleichungen beschrieben 3 4 Inhaltsverzeichnis 1 Wellengleichungen 2 Dispersionsrelationen 2 1 Tragheitsschwerewellen 2 2 Aquatoriale Rossby Wellen 2 3 Yanai Wellen auch gemischte Rossby Schwerewellen 2 4 Aquatoriale Kelvin Wellen 3 Literatur 4 EinzelnachweiseWellengleichungen BearbeitenDie Bewegungsgleichungen fur die Wellen erhalt man indem man eine Schicht einer inkompressiblen Flussigkeit konstanter Dichte mit einer freien Oberflache betrachtet Die Kontinuitatsgleichungen enthalten dabei noch einen Beitrag von der Coriolis Kraft die im sogenannten b displaystyle beta nbsp Ebenen Modell betrachtet wird Dabei wird die meridionale Abhangigkeit des Coriolis Parameters als Taylor Reihe in der Entfernung zum Aquator y displaystyle y nbsp entwickelt f C 2 W sin f 2 W cos f a y O y 2 displaystyle f text C 2 Omega sin varphi frac 2 Omega cos varphi a y mathcal O y 2 nbsp W displaystyle Omega nbsp ist die Winkelgeschwindigkeit der Erdrotation f displaystyle varphi nbsp der Breitengrad und a displaystyle a nbsp der Erdradius Aufgrund der Aquatornahe gilt sin f 0 displaystyle sin varphi approx 0 nbsp und cos f 1 displaystyle cos varphi approx 1 nbsp Man erhalt daher die Wellengleichungen 5 6 u t b y v g z x displaystyle frac partial u partial t beta yv g frac partial zeta partial x nbsp v t b y u g z y displaystyle frac partial v partial t beta yu g frac partial zeta partial y nbsp z t H u x v y 0 displaystyle frac partial zeta partial t H left frac partial u partial x frac partial v partial y right 0 nbsp Dabei ist x displaystyle x nbsp zonale Koordinate y displaystyle y nbsp meridionale Koordinate u displaystyle u nbsp zonale Geschwindigkeitskomponente v displaystyle v nbsp meridionale Geschwindigkeitskomponente g displaystyle g nbsp Schwerebeschleunigung z displaystyle zeta nbsp Oberflachenauslenkung b 2 W a displaystyle beta frac 2 Omega a nbsp Rossby Parameter in dieser Naherung eine Konstante H displaystyle H nbsp Wassertiefe bzw Schichtdicke In der Literatur werden die Gleichungen meist in eine dimensionslose Form konvertiert Die Einheiten der Zeit und Lange sind dabei T 1 c b u n d L c b displaystyle left T right sqrt frac 1 c beta mathrm und left L right sqrt frac c beta nbsp wobei c g H displaystyle c sqrt gH nbsp die Geschwindigkeit von Schwerewellen in dieser Wassertiefe ist 5 Das Modell wird auch als Kanalmodell bezeichnet 7 bzw wenn die konstante Dichte hervorgehoben werden soll als barotropes Modell 5 Zur Losung der obigen Wellengleichungen setzt man die x displaystyle x nbsp und t displaystyle t nbsp Abhangigkeit von u displaystyle u nbsp v displaystyle v nbsp und z displaystyle zeta nbsp als e i k x w t displaystyle e i kx omega t nbsp an also z B v e i k x w t v displaystyle v e i kx omega t bar v nbsp Nach Eliminierung von u displaystyle u nbsp und z displaystyle zeta nbsp ergibt sich d 2 v d y 2 w 2 c 2 k 2 b k w b 2 c 2 y 2 v 0 displaystyle frac d 2 bar v dy 2 left frac omega 2 c 2 k 2 frac beta k omega frac beta 2 c 2 y 2 right bar v 0 nbsp also die Schrodinger Gleichung des harmonischen Oszillators Es ist daher v y c o n s t e 1 2 b c y 2 H m b c y displaystyle bar v y mathrm const cdot e frac 1 2 frac beta c y 2 H m sqrt frac beta c y nbsp mit den Hermite Polynomen H m displaystyle H m nbsp und den Moden m 0 1 2 5 Dispersionsrelationen Bearbeiten nbsp Dispersionsrelation aquatorialer Wellen nach Matsuno 5 Wheeler Kiladis 8 und Judt 6 Als Dispersionsrelationen erhalt man w 2 c s 2 k 2 b k w b c s 2 m 1 displaystyle frac omega 2 c s 2 k 2 frac beta k omega frac beta c s 2m 1 nbsp Die oben eingefuhrte Geschwindigkeit freier Schwerewellen wird dabei zur Unterscheidung von Gruppen und Phasengeschwindigkeit der betrachteten Wellen mit c s g H displaystyle c s sqrt gH nbsp bezeichnet Matsuno 5 klassifizierte die Wellen indem er die fur grosse Wellenzahl genaherten Losungen der Dispersionsrelation darstellte w 1 2 c s k 2 b c s 2 m 1 displaystyle omega 1 2 pm c s sqrt k 2 frac beta c s 2m 1 nbsp w 3 b k k 2 b c s 2 m 1 displaystyle omega 3 frac beta k k 2 frac beta c s 2m 1 nbsp Man beachte dass das auch fur k 0 displaystyle k to 0 nbsp Losungen der Dispersionsrelationen sind In der gewahlten Darstellung ist die Phasengeschwindigkeit fur positive Wellenzahl ostwarts gerichtet fur negative Wellenzahl westwarts 8 Tragheitsschwerewellen Bearbeiten Die ersten beiden Losungen werden dabei fur m 1 displaystyle m geq 1 nbsp als Tragheitsschwerewellen engl inertio gravity waves bezeichnet und haben west und ostwarts gerichtete Phasengeschwindigkeit c 1 2 c s k k 2 b c s 2 m 1 displaystyle c 1 2 pm frac c s k sqrt k 2 frac beta c s 2m 1 nbsp Die Losungen weisen um die y Achse Minima bei b c s 2 m 1 displaystyle sqrt frac beta c s 2m 1 nbsp auf Je nach Richtung der Phasengeschwindigkeit werden diese Wellen mit EIG eastward inertio gravity wave oder WIG abgekurzt Aquatoriale Rossby Wellen Bearbeiten Die dritte Losung identifizierte Matsuno fur m 1 displaystyle m geq 1 nbsp mit langsameren westwarts laufenden Rossby Wellen wobei wie oben angedeutet im Gegensatz zu Rossbys Beschreibung die Coriolis Kraft in Aquatornahe nur durch das b displaystyle beta nbsp einbezogen wird Die Phasengeschwindigkeit betragt dabei c 3 b k 2 b c s 2 m 1 displaystyle c 3 frac beta k 2 frac beta c s 2m 1 nbsp Man beachte dass fur m 1 displaystyle m geq 1 nbsp zwischen der maximalen Geschwindigkeit der aquatorialen Rossby Welle und der minimalen Geschwindigkeit der Tragheitsschwerewellen eine deutliche Lucke zu erkennen ist Yanai Wellen auch gemischte Rossby Schwerewellen Bearbeiten Fur m 0 displaystyle m 0 nbsp lasst sich die Dispersionsrelation faktorisieren wobei sich die Linien fur die Wurzeln fur die Tragheitsschwerewellen einerseits und fur die Rossby Welle andererseits schneiden Es gibt sich eine durchgehende Linie die ostwarts der Losung fur eine Tragheitsschwerelinie entspricht und westwarts einer Rossby Welle Die dritte Losung muss ausgeschlossen werden weil sie zu den Polen hin nicht gegen null geht Die so zusammengesetzte Linie fur m 0 displaystyle m 0 nbsp schliesst die Lucke im Spektrum die wie oben erwahnt fur die Moden mit m 1 displaystyle m geq 1 nbsp auftritt Diese Wellen wurden Michio Yanai zu Ehren Yanai Wellen genannt Die Yanai Welle verhalt sich fur niedrige Frequenzen wie eine Rossbywelle mit westwartiger Phasengeschwindigkeit und fur hohe Frequenzen wie eine Schwerewelle mit ostwartiger Phasengeschwindigkeit Aufgrund dieses gemischten Verhaltens wird die Yanai Welle auch gemischte Rossby Schwerewelle engl mixed Rossby gravity wave oder MRG genannt Die Gruppengeschwindigkeit ist fur Yanai Wellen immer nach Osten gerichtet und liegt in der Grossenordnung von 2 bis 3 m s Das bedeutet dass sich diese Wellen relativ schnell ostwarts uber den aquatorialen Ozean bewegen konnen und dass sie beispielsweise etwa einen Monat brauchen um den Pazifik am Aquator zu uberqueren Aquatoriale Kelvin Wellen Bearbeiten Eine weitere Losung der Wellengleichungen erhalt man indem man keine meridionale Geschwindigkeitskomponente zulasst und das v in den Wellengleichungen von vorneherein ausschliesst Diese Losungen werden als aquatoriale Kelvinwellen bezeichnet Auch wenn sie nichts mit dem obigen Losungsansatz zu tun haben gab ihnen bereits Matsuno die Modenzahl m 1 displaystyle m 1 nbsp Kelvin Wellen treten gewohnlich in Kustennahe auf wo ihnen durch die Kuste eine klare Randbedingung gegeben wird Der Vorzeichenwechsel der Corioliskraft bildet am Aquator eine Wand und stellt daher fur die Kelvinwellen eine entsprechende Randbedingung dar wie eine Kuste Die Losungen haben auf der Nordhalbkugel und der Sudhalbkugel unterschiedliche Drehrichtung Literatur BearbeitenJohn R Apel Principles of Ocean Physics Academic Press London u a 1987 ISBN 0 12 058865 X Adrian E Gill Atmosphere Ocean Dynamics International Geophysics Series 30 Academic Press New York NY u a 1982 ISBN 0 12 283520 4 Joseph Pedlosky Geophysical Fluid Dynamics 2nd edition Springer New York NY u a 1987 ISBN 0 387 96388 X M Wheeler G N Kiladis Convectively Coupled Equatorial Waves Analysis of Clouds and Temperature in the Wavenumber Frequency Domain In J Atmospheric Sci Band 56 Nr 3 1999 S 374 399 doi 10 1175 1520 0469 1999 056 lt 0374 CCEWAO gt 2 0 CO 2 A Solodoch W R Boos Z Kuang E Tziperman Excitation of Intraseasonal Variability in the Equatorial Atmosphere by Yanai Wave Groups via WISHE Induced Convection In J Atmospheric Sci Band 68 2011 S 210 225 doi 10 1175 2010JAS3564 1 Einzelnachweise Bearbeiten a b M Kappas Klimatologie Klimaforschung im 21 Jahrhundert Herausforderung fur Natur und Sozialwissenschaften Springer Verlag 2009 ISBN 978 3 8274 2242 2 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche T Shinoda Observation of first and second baroclinic mode Yanai waves in the ocean In Qu J Roy Meteorological Soc Band 138 Nr 665 2012 S 1018 1024 doi 10 1002 qj 968 C Jacobi Institut fur Meteorologie Uni Leipzig Aquatoriale Wellen Zusammenfassung PDF Abgerufen am 29 Dezember 2016 G Siedler W Zenk Ozeanographie In W Raith Hrsg Lehrbuch der Experimentalphysik Ludwig Bergmann 7 Erde und Planeten Walter de Gruyter 2001 ISBN 978 3 11 016837 2 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche a b c d e f T Matsuno Quasi Geostrophic Motions in the Equatorial Area In J Meteorological Soc Japan Ser II Band 44 Nr 1 1966 S 25 43 jst go jp PDF a b F Judt Equatorial Wave Theory PDF 23 April 2007 archiviert vom Original nicht mehr online verfugbar am 30 Dezember 2016 abgerufen am 29 Dezember 2016 Prasentation im Seminar Geophysical Fluid Dynamics 2 Fruhjahr 2007 M Hantel Einfuhrung Theoretische Meteorologie Springer 2013 ISBN 978 3 8274 3056 4 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche a b M Wheeler G N Kiladis Convectively Coupled Equatorial Waves Analysis of Clouds and Temperature in the Wavenumber Frequency Domain In J Atmosperic Sci Band 56 Nr 3 1999 S 374 399 doi 10 1175 1520 0469 1999 056 lt 0374 CCEWAO gt 2 0 CO 2 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Aquatoriale Welle amp oldid 234198968