Kelvinwelle

Schematische Darstellung einer Kelvinwelle

Die Kelvinwelle, benannt nach Lord Kelvin (1824–1907), ist eine Welle, die sich im Gegensatz zur Wasserwelle und Poincaré-Welle nicht frei über die ganze Wasseroberfläche ausbreitet. Stattdessen kann sie sich nur in schmalen Gürteln (Wellenleitern) entlang topographischer Berandungen von rotierenden Flüssigkeiten ausbreiten, z. B. an Küsten sowie entlang des Äquators im Ozean und in der Atmosphäre.

Die Gezeiten propagieren in Form von barotropen Küsten-Kelvinwellen. Auch die Bugwelle eines Schiffs setzt sich aus Kelvinwellen zusammen.

Eigenschaften

Kelvinwellen werden angeregt durch beliebig geformte Druckgradienten, z. B. Hoch- und Tiefdruckgebiete, parallel zur Achse eines Wellenleiters. Kelvinwellen sind dadurch charakterisiert, dass sie eine horizontale Geschwindigkeitskomponente nur parallel zur Achse des Wellenleiters haben, d. h., sie propagieren immer so, dass der feste Rand des Wellenleiters

Durch diese Eigenschaft bilden sich die amphidromischen Systeme.

Der Druckgradient senkrecht zur Achse des Wellenleiters steht mit der Corioliskraft im Gleichgewicht, die von der horizontalen Geschwindigkeitskomponente verursacht wird.

Räumliche Ausdehnung

Die Amplitude einer Kelvinwelle fällt exponentiell mit dem Abstand zur Küste. Kelvinwellen sind daher nur innerhalb eines charakteristischen Abstandes von der Küste beobachtbar, weiter entfernt werden sie so flach, dass sie kaum mehr auszumachen sind. Diese charakteristische Länge, der Rossby-Radius, hängt ab von der geographischen Breite, er nimmt nämlich ab vom Äquator zum Pol:

Phasengeschwindigkeit und Dispersion

Die Phasengeschwindigkeit einer Kelvinwelle ist gleich der einer langen Welle auf der nicht rotierenden Erde.

Eine barokline Störung im Äquatorgebiet bei Indonesien bräuchte so zwei bis drei Monate, um sich innerhalb des äquatorialen Wellenleiters bis nach Südamerika auszubreiten.

Bei Kelvinwellen stimmen Gruppen- und Phasengeschwindigkeit für alle Frequenzen überein, sie zeigen also keine Dispersion. D. h. eine freie Kelvinwelle behält bei der Ausbreitung entlang der Achse des Wellenleiters die ursprüngliche Wellenform, die sie zum Zeitpunkt ihrer Anregung erhielt.

Arten

Küsten-Kelvinwellen

Idealisierte Vorstellung: ein Tiefdruckgebiet erhöht an einer Küste den Wasserspiegel und verschwindet. Zurück bleibt ein Wasserberg und somit eine Druckgradientkraft mit einer zur offenen See gerichteten Komponente. Sobald sich das betrachtete Wasserteilchen anschickt, von der Küste wegzufließen, wirkt die Corioliskraft:

Das Wasserteilchen wird entsprechend abgelenkt, bis es nur noch parallel zur Küste strömt: diese liegt dann auf der Nordhalbkugel in Ausbreitungsrichtung rechts, auf der Südhalbkugel links.

Äquatoriale Kelvinwellen

Zwei Äquatoriale Kelvinwellen im Pazifik, sichtbar durch Anomalien des Meeresspiegels (+/- 20 cm), vom 1. Dezember 2009 bis 4. März 2010

Am Äquator ergibt sich der Sonderfall, dass die Corioliskraft null ist. Hier muss also keine Küste vorhanden sein, der Äquator übernimmt die Rolle einer virtuellen Küste. Dadurch können sich zwei Kelvinwellen Rücken an Rücken fortbewegen, eine in jeder Hemisphäre, und zwar auf der Nordhalbkugel mit dem Äquator zur Rechten und auf der Südhalbkugel mit dem Äquator zur Linken. So wandern die Störungen in der Auslenkung der Wasseroberfläche oder der Thermoklinen ostwärts.

Siehe auch äquatoriale Welle.

Die mit der äquatorialen Kelvinwelle verbundenen Druckstörungen klingen polwärts exponentiell mit dem Quadrat des Abstandes zum Äquator ab. Die charakteristische meridionale Breite des Wellenleiters am Äquator beträgt in jeder Hemisphäre ungefähr einen äquatorialen Rossbyradius.

Vorkommen und Bedeutung

El Niño und ENSO

Eine wichtige Rolle spielen barokline Kelvinwellen bei ENSO-Ereignissen (El Niño-Southern Oscillation). Hier wandert durch ein Nachlassen der Passatwinde im westlichen äquatorialen Pazifik der vor Indonesien angestaute warme Wasserberg als äquatoriale Kelvinwelle Richtung Südamerika (Delayed-Oscillator-Theorie). Beim Auftreffen auf den östlichen Rand des Ozeanbeckens werden sie z. T. in Küsten-Kelvinwellen umgewandelt, die beiderseits des Äquators entlang der Küsten der Kontinente polwärts propagieren. So wurden bei El-Niño-Ereignissen Warmwasseranomalien beobachtet, die durch Kelvinwellen entlang der Küste bis in den Golf von Alaska transportiert wurden. Darüber hinaus wird ein Teil der äquatorialen Kelvinwelle als lange Rossbywelle im äquatorialen Wellenleiter reflektiert und propagiert in ihm zurück nach Westen.

Auftrieb

Kelvinwellen spielen auch eine wichtige Rolle bei der Formung der Auftriebsphänomene an den Küsten und am Äquator: wird Auftrieb in einem begrenzten Gebiet angeregt, so propagieren Kelvinwellen von beiden Rändern des Auftriebsgebietes entlang der Küsten und des Äquators in die für Kelvinwellen mögliche Richtung.

Der Auftrieb hinter der Front der Kelvinwelle wird gestoppt, indem die vor der Front existierende Balance umschaltet: die küstensenkrechte Divergenz des Ekman-Transports, die mit dem Anteil der vertikalen Divergenz des Auftriebs hinter der Front im Gleichgewicht steht, schaltet um in die küstenparallele Divergenz des Küstenstrahlstroms. Die küstensenkrechte Divergenz des Ekmankompensations-Stroms unterhalb der Deckschicht wird balanciert durch die küstenparallele Divergenz eines zum Strahlstrom in der Deckschicht entgegengesetzten Unterstroms.

Am Äquator ist dieser Unterstrom als Äquatorialer Unterstrom besonders stark ausgebildet (Strömungsgeschwindigkeit im Kern ≈ 1 Meter pro Sekunde) und stellt einen wesentlichen Zweig der ozeanischen Zirkulation dar. Da der Auftrieb am rechten Rand zuletzt gestoppt wird, ist er dort am kräftigsten ausgeprägt, wie auch dort der Küstenstrahlstrom am stärksten ist. Das links vom Auftriebsgebiet befindliche Areal wird nicht durch die Kelvinwellen beeinflusst.

Auf der Südhalbkugel ist die Asymmetrie zwischen linkem und rechtem Rand eines endlichen Auftriebsgebietes gegenüber dem auf der nördlichen Halbkugel vertauscht.

Quellen