عمود النهر

في منطقة المنبع أو المصب، تُعدّ قوة الطفو وزخم تدفق المياه العذبة من المصب من الخصائص الرئيسية التي تحدد بدء تشكل عمود النهر. ويُحدد التنافس بين التطبق الناتج عن النهر والاختلاط المدّي الخصائص المميزة لعمود النهر. ويمكن التعبير عن هذا التنافس في رقم ريتشاردسون (اللا بُعدي) للمصب ، والذي يُعرّف على النحو التالي ^{[ 5 ].}

${\displaystyle Ri_{E}=g_{r}'{\frac {Q_{r}}{W_{E}u_{tidal}^{3}}},}$

أين

• انخفاض الجاذبية${\displaystyle g'_{r}=g(\Delta \rho /\rho _{0})}$هو التسارع الناتج عن الجاذبية بسبب اختلاف الكثافة بين مياه الأنهار العذبة ومياه المحيطات المالحة ،
• ${\displaystyle Q_{r}}$هو تصريف النهر ،
• ${\displaystyle W_{E}}$هو عرض مصب النهر ، و
• ${\displaystyle u_{tidal}}$هي سرعة المد والجزر.

أين

• ${\displaystyle g'_{r}=g(\Delta \rho /\rho _{0})}$هو التسارع الناتج عن الجاذبية بسبب اختلاف الكثافة بين مياه الأنهار العذبة ومياه المحيطات المالحة ،
• ${\displaystyle Q_{r}}$هو تصريف النهر ،
• ${\displaystyle W_{E}}$هو عرض مصب النهر ، و
• ${\displaystyle u_{tidal}}$هي سرعة المد والجزر.

رقم ريتشاردسون كبير في مصبات الأنهار (أي${\displaystyle Ri_{E}\gg 1}$تشير هذه النتائج إلى أن عمليات المياه العذبة هي السائدة مقارنة بتأثير المد والجزر ، ويمكن توقع تشكل عمود نهري. ^{[ 1 ]}

في حالة التدفق النهري القوي، والذي غالبًا ما يكون مصحوبًا برقم ريتشاردسون كبير في مصب النهر ، تنفصل مقدمة عمود الماء عن القاع . يُطلق على الموضع الذي يحدث عنده هذا الانفصال اسم نقطة الانطلاق، وهي تحدد الحافة البرية للمنطقة القريبة. وتُعد هذه النقطة مهمة في أعمدة الماء النهرية المنقولة سطحيًا. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

في المجال القريب، يكون زخم عمود الدخان أكبر من قوة طفوه . ويتم تمثيل هذا التوازن في عدد فرود (اللابعدي) .${\displaystyle Fr={u}/{\sqrt {gh}},}$وتكون أكبر من واحد في المجال القريب، مما يشير إلى تدفق فوق حرج . وتتميز كل من نقطة الانطلاق والحد الخارجي للمجال القريب، أي جبهة عمود الدخان، بظروف تدفق حرجة (${\displaystyle Fr=1}$ويُظهر التدفق في المنطقة القريبة خصائص مشابهة للتدفق النفاث. ^{[ 8 ]} يهيمن على توازن الزخم تدرجات الضغط الباروتروبية والباروكلينية، وإجهادات القص المضطربة ، وتسارع التدفق. وينتج تباطؤ التدفق بشكل رئيسي عن إجهادات القص على سطح التماس بين عمود الدخان والمحيط المحيط . في بعض الحالات، قد لا توجد منطقة قريبة. يحدث هذا، على سبيل المثال، إذا كان عرض مصب النهر كبيرًا نسبيًا مقارنةً بنصف قطر روسبي للتشوه .${\displaystyle L_{R}={\sqrt {gh}}/{f}}$وسيخرج تدفق المياه العذبة من مصب النهر على شكل عمود مائي بعيد المدى. وعندما يكون المد والجزر مرتفعًا، يُعرف العمود المائي القريب أيضًا باسم عمود المد والجزر. ^{[ 9 ]}

المنطقة التي يتحول فيها التيار النفاث القريب إلى تدفق تسود فيه العمليات الجيوستروفية أو تلك المدفوعة بالرياح هي منطقة الوسط. يهيمن على توازن الزخم في منطقة الوسط دوران الأرض ( تأثير كوريوليس )، وتدرجات الضغط الداخلي العرضية ، وأحيانًا التسارع المركزي . يفقد التدفق زخمه الأولي من المصدر، وتتولى قوة الرياح (أو دوران الأرض في حالة ضعفها ) تدريجيًا زمام الأمور كأهم عامل. ونتيجة لذلك، يتغير التدفق في سرعته واتجاهه ونمط انتشاره. عندما يكون تأثير قوة الرياح ضعيفًا، قد تشكل التدفقات أحيانًا انتفاخًا دائريًا؛ ^{[ 1 ] [ 6 ]} ومع ذلك، فإن الأدلة على وجود مثل هذه الظاهرة في الملاحظات الميدانية شحيحة. ^{[ 10 ]}

أبعد من ذلك بكثير تقع المنطقة البعيدة، حيث يفقد عمود الماء كل أثر لزخم التدفق الخارجي. يهيمن على توازن الزخم في المنطقة البعيدة دوران الأرض ( تأثير كوريوليس )، والطفو ، وقوة الرياح ، وإجهاد القاع. يمكن أن تغطي المنطقة البعيدة مساحات شاسعة، تصل إلى مئات الكيلومترات من مصدرها. تخضع التغيرات اليومية ونصف اليومية في المنطقة البعيدة عمومًا للمد والجزر ، بينما تخضع التغيرات المناخية لقوة الرياح ، والتغيرات الموسمية لتصريف الأنهار. في غياب قوة الرياح والتيارات القوية، يمكن أن يتصرف عمود الماء في المنطقة البعيدة كتيار من المياه العذبة نسبيًا في اتجاه موجة كلفن المنتشرة . يمكن ملاحظة أمثلة على ذلك في نهر الراين ، حيث يمكن تتبع عمود الماء على طول الساحل الهولندي. ^{[ 11 ]} تختلف طبيعة هذا التيار الساحلي في حالة البحار الضحلة، حيث يشغل التيار عمود الماء بأكمله وتتأثر حركته بالاحتكاك القاعي ، وفي حالة عمود الماء المنقول سطحيًا والذي يكون حجمه الرأسي أقل من عمق الماء. ^{[ 1 ] [ 6 ]}

تتميز الأعمدة المائية المنقولة من القاع عادةً بظروف تصريف كبيرة، وهي عمومًا أقل حساسية لتأثير الرياح وما يصاحبها من نقل واختلاط. ^{[ 6 ]} وينتج هذا النوع من النقل عن نقل إيكمان من القاع ، والذي يدفع تدفق المياه العذبة أو قليلة الملوحة من النهر بكثافة عالية.${\displaystyle \rho _{i}}$والسرعة${\displaystyle v_{i}}$من مصب نهر واسع${\displaystyle L}$والعمق${\displaystyle h_{0}}$إلى المنطقة الجبهية عبر الجرف القاري. هذا موضح في الشكل على اليمين. عندما تكون المنطقة الجبهية بعيدة بما يكفي عن الشاطئ، يمكن لديناميكيات الرياح الحرارية أن تنقل تدفق الحجم بالكامل بعيدًا عن مصب النهر. الموقع عبر الشاطئ${\displaystyle y_{b}}$، والذي يشير إلى عرض التيار الساحلي، وعمق التوازن${\displaystyle h_{b}}$يمكن حساب النقطة التي ينفصل عندها عمود الدخان عن القاع في ظروف التوازن مع ميل قاع معين${\displaystyle s}$بواسطة

${\displaystyle h_{b}={\sqrt {\frac {2fv_{i}h_{0}}{g'}}}}$

${\displaystyle y_{b}={\frac {h_{0}}{s}}({\sqrt {\frac {2fLv_{i}}{g'h_{0}}}}-1)}$[ ^{6 ]​}

لاحظ أن هذا صحيح فقط عندما${\displaystyle h_{b}>h_{0}}$. متى${\displaystyle h_{b}<h_{0}}$لا تستطيع طبقة إيكمان السفلية نقل تدفق النهر إلى عرض البحر، وتتحكم عملية أخرى في انتشاره. في هذه الحالة، لا يُلاحظ سوى عمود مائي ينتقل عبر السطح. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

تحدث الأعمدة المنقولّة إلى السطح عندما يتحقق الشرط المحدد مسبقًا لـ${\displaystyle h_{b}<h_{0}}$يتم استيفاء الشروط. يتميز عمود الماء المنتقل سطحيًا بالبنية النموذجية لعمود الماء النهري كما هو موضح في قسم بنية عمود الماء النهري . في المنطقة القريبة من المصب، تكون قوة الدفع الأولية لتدفق النهر هي الآلية السائدة، وبعد ذلك تتولى عمليات أخرى مثل تأثير الرياح وتأثير كوريوليس زمام الأمور. في عمود الماء المنتقل سطحيًا، لا تكون العمليات المتعلقة بالتفاعل مع القاع، مثل تكوّن طبقة إيكمان القاعية ، ذات أهمية. لذلك، فإن المعلمة المحددة${\displaystyle y_{b}}$يمكن تجاهل هذا في هذا النهج لأنه لا يستند إلى أساس مادي. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

في حالة عمق التدفق الداخل${\displaystyle h_{0}}$أصغر من العمق${\displaystyle h_{b}}$والمسافة التي تنقل فيها طبقة إيكمان السفلية تصريف النهر أصغر من المسافة التي تنقل فيها العمليات السطحية تدفق النهر الخارج، (${\displaystyle y_{b}<y_{s}}$يمكن العثور على عمود وسيط. في العمود الوسيط، يمكن العثور على كلا النظامين. بطبيعة الحال، يمكن العثور على الجزء المنقول من القاع بالقرب من مصب النهر، بينما يمكن العثور على الجزء المنقول من السطح في عرض البحر. تفصل نقطة الانطلاق بين المنطقتين. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

يمكن تعميم هذا النهج بشكل أكبر من خلال تحويل المعاملات إلى قيم لا بُعدية. تتميز المعاملات اللا بُعدية بميزة تبسيط ديناميكيات العمليات ذات الصلة من خلال تقييم حجم الحدود المختلفة. في حالة أعمدة الأنهار، يُسهم ذلك في توجيه التصنيف الأساسي وديناميكياتها المختلفة. يُعدّ عدد برجر من أهم الأرقام اللا بُعدية ذات الصلة.${\displaystyle S={\sqrt {g'h_{0}}}/(fL)}$، والذي يعبر عن الأهمية النسبية للطفو ، ورقم روسبي${\displaystyle Ro=v_{i}/(fL)}$وهذا يُعبّر عن الأهمية النسبية للحمل الحراري. ويؤدي إعادة التجميع إلى المسافات العرضية الشاطئية التالية، وهي مسافات غير بُعدية${\displaystyle Y_{b}}$و${\displaystyle Y_{s}}$:

${\displaystyle Y_{s}={\frac {2(3S^{2}+Ro^{2})}{\sqrt {2S^{2}+Ro^{2}}}}}$

${\displaystyle Y_{b}={\frac {h_{0}}{sL}}({\frac {\sqrt {2Ro}}{S}}-1)}$.

تنطبق نفس الأنظمة المذكورة أعلاه على المعاملات غير البُعدية. أعمدة الأعمدة المنقولة من القاع (${\displaystyle h_{b}>h_{0}}$،${\displaystyle Y_{b}>Y_{s}}$تتميز هذه الأعمدة بشكل عام بأرقام برجر صغيرة ، وبالتالي فإن الطفو ليس ذا أهمية نسبية. أعمدة الأعمدة المنقولة سطحيًا (${\displaystyle h_{b}<h_{0}}$تتميز هذه الأعمدة عمومًا بأرقام برجر عالية ، ولذلك يُعدّ الطفو عاملًا مهمًا. علاوة على ذلك، يُشير رقم روسبي إلى ما إذا كان العمود يُصنّف كعمود مُنقول سطحيًا أو عمودًا وسيطًا. يُشير رقم روسبي الكبير نسبيًا مقارنةً برقم برجر إلى أهمية النقل السطحي مقارنةً بالطفو ، مما يسمح بحدوث نقل قاعي جزئي على الأقل، وبالتالي يُمكن توقع وجود عمود وسيط. ^{[ 6 ] [ 12 ]}

لاحظ أن المخطط الموصوف أعلاه تم تطويره لحالات مثالية: أي بالنسبة لأعمدة الأنهار في غياب القوى الخارجية التي تتدفق إلى بحر ذي تضاريس مثالية وخط ساحلي مثالي.

تتكون دورة المد والجزر من فترة فيضان أو تدفق باتجاه اليابسة، وفترة جزر أو تدفق باتجاه البحر. ^{[ 15 ]} بالنسبة لتصريف نهري ثابت${\displaystyle Q_{r}}$يمكن ملاحظة استقرار الطبقات المائية أثناء الجزر وعدم استقرارها أثناء الفيضان. ^{[ 11 ]} يوضح الشكل على اليمين هذا الأمر بشكل تخطيطي. يؤدي الاختلاط الذي يحدث أثناء الفيضان نتيجة عدم استقرار الطبقات إلى إضعافها وتقليل كفاءة انتقال مياه النهر ^{[ 11 ]} ، ويحدث ذلك في حالات انخفاض أرقام ريتشاردسون في مصبات الأنهار .

خلال فترة الجزر، يزداد التطبق المائي ، مما يؤدي إلى استقرار الظروف وقوة تيارات الحمل الحراري على السطح. ^{[ 11 ]} وبسبب قانون حفظ الكتلة، يتطلب هذا الوضع تدفقات مائية قوية باتجاه اليابسة بالقرب من القاع. تُعرف هذه العملية باسم التصفية المدية . في حالة السواحل المفتوحة، تبدأ التأثيرات ثنائية الأبعاد بالظهور. يتسبب نقل إيكمان الباروكلي في صعود المياه أثناء الجزر وهبوطها أثناء المد. ^{[ 5 ]} لذلك، يمكن أن تؤدي تأثيرات الصعود الباروكلي هذه إلى نقل المغذيات والرواسب من مياه الجزر باتجاه الساحل. ^{[ 11 ]}

خلال دورة المد والجزر الربيعية، تتضخم التأثيرات الباروكينية خلال دورة المد والجزر ، مما يُفضّل إما زيادة إجهاد المد والجزر أو اختلاط مياهه. ^{[ 11 ]} تتميز المد والجزر الربيعية بسعات مد وجزر وسرعات تدفق مد وجزر كبيرة نسبيًا. ^{[ 15 ]} يؤدي هذا إلى زيادة اختلاط مياه المد والجزر خلال دورة المد والجزر الكاملة ، وإلى إضعاف التطبق . ^{[ 11 ]} في بعض المناطق، يختفي التطبق تمامًا، مما ينتج عنه نظام مختلط جيدًا، ولا تستطيع هذه الأنظمة استيعاب أعمدة مياه الأنهار إلا في بعض الأحيان. ^{[ 7 ]} في أنظمة السواحل المفتوحة ، تؤدي ظروف المد والجزر الربيعية عمومًا إلى زيادة تأثيرات الهبوط من عمود مياه النهر الطافي ، مما يتسبب في زيادة نقل الرواسب والمغذيات باتجاه البحر . ^{[ 11 ]}

تتميز ظاهرة المد والجزر المنخفض بانخفاض سعة المد والجزر وسرعة تدفق المياه. ^{[ 15 ]} يُسهم هذا الوضع في تعزيز تأثير التصفية المدية، كما يُلاحظ خلال الجزر، نتيجةً لانخفاض اختلاط المياه وزيادة التدفق التفاضلي خلال دورة المد والجزر . ^{[ 11 ]} وبسبب قوة تأثير التصفية المدية، تتميز ظروف المد والجزر المنخفض عمومًا بزيادة التدفق باتجاه اليابسة بالقرب من القاع، وما يصاحب ذلك من زيادة في ظاهرة الصعود الساحلي . ^{[ 11 ]} في الحالات القصوى، قد يؤدي ذلك إلى ترسبات كبيرة على الشاطئ ، كما حدث في جنوح أعداد هائلة من نجم البحر على ساحل شيفينينجن في 30 يناير 2019. ^{[ 16 ]}

من الأمثلة على الأعمدة المائية المنقولة سطحيًا عمود نهر فريزر . يحتوي عمود نهر فريزر على جميع المناطق الديناميكية، وهو مرئي بوضوح من الفضاء. يتحول الهيكل الأولي الشبيه بالنفث تدريجيًا إلى عمود مائي بعيد المدى في عرض البحر، ينحرف إلى اليمين كما هو متوقع في نصف الكرة الشمالي بسبب تأثير كوريوليس . ومن الأعمدة المائية النهرية المماثلة الأخرى أعمدة نهر كولومبيا ، ونهر نياجرا ، ونهر هدسون . ^{[ 1 ] [ 9 ]}

يُعدّ عمود مياه نهر الأمازون مثالاً على عمود مياه نهري لا يؤثر فيه دوران الأرض . فبسبب التدفق العالي ، والزخم الناتج عن التدفق الخارجي ، والموقع الاستوائي، تتميز ديناميكيات هذا العمود بشكل أساسي برقم فرود الداخلي . وتعمل التيارات المحيطة على نقل العمود بعيدًا عن مصبه. ^{[ 1 ] [ 13 ]} ويمكن العثور على أعمدة مياه مماثلة في أماكن أخرى على طول خط الاستواء .

تُظهر ديناميكيات عمود مياه نهر ميرسي عند مصب خليج ليفربول تشابهاً كبيراً مع عمود مياه قاع البحر. ^{[ 17 ]} ويعود ذلك إلى التأثير القوي لقاع البحر والاحتكاك القاعي على التدفق، مما يتحكم في انتشاره عبر الشاطئ وطوله. غالباً ما يُلاحظ هذا النوع من أعمدة المياه في البحار الهامشية وبحار الجرف القاري ، كما هو الحال في بحر الشمال عند مصب نهر الراين . ^{[ 1 ] [ 18 ]}