Prądy oceaniczne. Prądy, oceanologia - 1

Transkrypt

1 Prądy oceaniczne Wiejące nad oceanami wiatry wprawiają w ruch powierzchniową warstwę wody i powodują powstawanie silnych powierzchniowych prądów, które płyną według niemal stałych tras. Gęstość wody jest ok razy większa od gęstości powietrza, a masa raz wprawionej w ruch wody jest tak wielka, że jej własna bezwładność wystarcza do utrzymania się przepływu. Na zjawisko prądów morskich większy wpływ ma cyrkulacja atmosferyczna niż lokalne warunki pogodowe. Sezonowe zmiany kierunków wiatrów modyfikują nieznacznie przebieg głównych prądów. Na kierunek prądów wpływa ponadto ich wzajemne oddziaływanie (przepływ przez strefy zbieżnego i rozbieżnego ruchu) oraz rozkład kontynentów. Wielkie prądy morskie są prawie jak rzeki - zachowują stały kierunek ruchu. Tarcie pomiędzy wodą oceaniczną, a dnem jest małe, dlatego płynąca woda jest odchylana w wyniku działania siły Coriolisa, tak jak masy powietrza atmosferycznego. Strumień wody porusza się jednak wolniej od strumienia powietrza, potrzeba więcej czasu, żeby przemierzył on tę samą odległość. Prędkość ruchu obrotowego Ziemi w stosunku do strumienia prądu oceanicznego jest większa niż w stosunku do mas powietrza. Wolniej płynąca woda jest dlatego silniej odchylana niż strumień powietrza wskutek działania siły Coriolisa, a przepływ powierzchniowej warstwy wody jest odchylany w prawo od kierunku wiatru wprawiającego ją w ruch na półkuli północnej, natomiast w lewo na półkuli południowej. Na otwartym morzu kąt zawarty pomiędzy kierunkiem ruchu powierzchniowej warstwy wody a kierunkiem przeważających wiatrów wynosi 45. Ten efekt odchylenia prądu pod wpływem siły Coriolisa oraz rozmieszczenie mas kontynentalnych są głównymi wyznacznikami rozkładu prądów w poszczególnych oceanach. Prądy, oceanologia - 1

2 Przemieszczanie się wód pod wpływem wiatru i prądy powierzchniowe w oceanie ograniczonym lądami od wschodu i zachodu. Prądy te tworzą system cyrkulacji powierzchniowej, w którym na półkuli północnej woda krąży zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a na półkuli południowej odwrotnie do ruchu wskazówek zegara Prądy, oceanologia - 2

3 Spirala Ekmana - woda powierzchniowa wprawiona w ruch przez wiatr uruchamia warstwę wody znajdującą się bezpośrednio pod nią, niższa warstwa wody porusza się wolniej niż warstwa powierzchniowa. Jednak, ze względu na niewielkie tarcie wewnątrz warstw warstwa niższa jest względem wyższej odchylana na prawo (półkula północna) lub na lewo (półkula południowa) skutek siły Coriolisa. To samo dotyczy kolejnej warstwy poniżej, a więc odchylają się one coraz bardziej. Na pewnej głębokości woda porusza się w kierunku przeciwnym do kierunku wiatru, który wprawił ją w ruch. Rzuty na płaszczyznę poziomą końców wektorów prędkości prądu wody, zmieniającej się wraz z głębokością, wyznaczają krzywą, nazywaną spiralą Ekmana - wykorzystując równania ruchu, ilościowo ujął zjawisko płynięcia wody pod kątem do wektora wiatru. Spirala sięga do głębokości ok m, gdzie prąd o znacznie mniejszej prędkości porusza się przeciwnie do prądu powierzchniowego. Wypadkowy ruch wody na całej głębokości warstwy, w której zachodzi, jest nazywany całkowitym przepływem Ekmana i odbywa się pod kątem 90 do kierunku wiatru (na lewo lub na prawo, w zależności od półkuli, na której odbywa się ruch). Prądy, oceanologia - 3

4 Przepływ geostroficzny Przepływ geostroficzny reguluje zależność między gradientem ciśnienia, siłą Coriolisa i kierunkiem prądu. Jeżeli odnieść całkowity przepływ Ekmana do oceanów ograniczonych przez kontynenty na wschodzie i na zachodzie, to okaże się, że część wód powierzchniowych wprawianych w ruch jest spychana ku środkowi każdego z wielkich, opisanych powyżej, systemów cyrkulacji. Soczewka" wody powierzchniowej zepchniętej ku środkowi sytemu cyrkulacji wznosi się ponad 1 m nad powierzchnię oceanu i powoduje wciśnięcie głębiej leżącej pod nią wody o większej gęstości. W miarę przesuwania się ku środkowi systemu wzrasta nachylenie zwierciadła wody, aż do momentu, gdy siła ciężkości nie zrównoważy siły Coriolisa odpowiedzialnej za powstanie soczewki". W układzie zrównoważonych sił tworzy się wówczas przepływ geostroficzny, w którym ruch wody zachodzi równolegle do linii gradientu ciśnienia. Na podstawie pomiarów głębokości zalegania warstwy wody o większej gęstości można określić wysokość wypiętrzenia soczewki", jej rozmiar, a także obliczyć prędkość, natężenie przepływu i głębokość prądów geostroficznych. Klasycznym przykładem przepływu geostroficznego jest Morze Sargassowe w północnej części Atlantyku. Prądy, oceanologia - 4

5 Morze Sargassowe (ang. Sargasso Sea) akwen morski leżący w zachodniej części północnego Atlantyku, mniej więcej pomiędzy 20 i 35 N oraz 30 i 70 W, rozciągając się od wysp Bahama, poprzez Bermudy, aż niemal po Azory. Zasięg morza jest szczególnie trudny do określenia od strony wschodniej i częściowo południowej, ale jego granice wyznaczają w praktyce otaczające go ze wszystkich stron silne prądy powierzchniowe: Zatokowy (Golfsztrom), Kanaryjski i Północno-Równikowy. Morze Sargassowe jest nietypowe m.in. dlatego, że jest jedynym obszarem wód w pełni oceanicznych (fragment oceanu), który w nazwie posiada określenie "morze", jako że morze (w znaczeniu terminu geograficznego) zazwyczaj styka się w jakikolwiek sposób z lądem. Stąd też trudne określenie dokładnych granic i powierzchni tego akwenu. Morze Sargassowe to ogromna powierzchnia nieruchomej wody (ok. 6-7 mln. km²) o temperaturze wody powierzchniowej dochodzącej latem do 28 C, nad którą dominują cisza lub słabe wiatry. Ciepła, bezchmurna pogoda stwarza dobre warunki rozwoju roślinności morskiej, a w szczególności brunatnic glonów z rodzaju Sargassum, które dzięki pęcherzykom gazu utrzymują się na powierzchni, przypominając winogrona. Nieograniczony rozwój tych kilkumetrowej długości wodorostów sprawia, że nawet gdy wieje wiatr, powierzchnia morza jest gładka. Morze to jest miejscem życia bardzo wielu organizmów, nawet takich dla których nie jest ono naturalnym miejscem rozwoju żyją tutaj, trafiając w "sidła" owych prądów morskich, nawet jeśli mogą się rozmnażać tylko wegetatywnie. Tam, gdzie nie ma glonów, woda jest bardzo przejrzysta, do 65 m jest to jedna z najbardziej przejrzystych toni świata. Zasolenie Morza Sargassowego jest nietypowe jak na wody oceaniczne i bardziej przypomina zasolenie mórz wewnątrzkontynentalnych dochodzi do 37 promili. Prądy, oceanologia - 5

6 Prędkość przepływu Napędzane wiatrami prądy powierzchniowe otwartych oceanów poruszają się z prędkością wynoszącą ok. 1/100 prędkości wiatru, mierzonej 10 m ponad powierzchnią morza. Jest to prędkość 0,25-1,0 węzła, czyli 0,1-0,5 m/s. Prądy płyną szybciej, gdy duża ilość wody musi przepłynąć przez wąski przesmyk (zasada zachowania masy w przepływie). Zarówno Prąd Północnorównikowy, jak i Prąd Południoworównikowy wpływają do Morza Karaibskiego, a następnie do Zatoki Meksykańskiej, aby wreszcie jako Prąd Florydzki wypłynąć na północny Atlantyk przez cienki przesmyk pomiędzy Florydą a Kubą. Prędkość Prądu Florydzkiego może przekraczać 3 węzły, czyli 1,5 m/s. Główne prądy oceaniczne przenoszą olbrzymie ilości wody. Prąd Zatokowy np. transportuje na północny-wschód ok. 55 x 106 m3/s wód - czyli ok. 500 razy więcej niż wynosi przepływ Amazonki. Prędkość prądu nie zawsze jest bezpośrednio związana z prędkością wiatrów powierzchniowych, może zależeć także od głębokości i powierzchni przekroju poprzecznego, przez który przepływa prąd, a te z kolei są określane przez istnienie barier lądowych, przebieg innych prądów oraz ruch obrotowy Ziemi. Prądy, oceanologia - 6

7 Satelitarny obraz temperatury wody w rejonie Prądu Zatokowego Prądy, oceanologia - 7

8 Cyrkulacja głębinowa Na obszarach antarktycznych i arktycznych ochłodzone masy wody zapadają się w głąb oceanu, a następnie podążają ku sobie z północy i z południa. Tak samo dzieje się w obszarach słonych wód ciepłych. Na Oceanie Atlantyckim przepływ opadających zimnych wód arktycznych i antarktycznych łącznie stanowi 40 mln m3/m, na Pacyfiku 20 mln m3/s. Prądy te są bardzo powolne i tak na Pacyfiku ich średnia prędkość wynosi 0,05 m/s, co daje całkowity czas przemieszczenia się z południa na północ 600 lat. Na Atlantyku prądy te są nieco szybsze 0,08-0,3 cm/s, co daje średni czas przemieszczenia 300 lat. W rejonach przybrzeżnych prądy te stają się wznoszące, co ma istotne znaczenie, gdyż wynoszą one na powierzchnię wody denne zawierające znaczne ilości substancji odżywczych z dna (upwelling). Obszary takie występują u wybrzeży Afryki, Kalifornii, a także Peru i Chile. Są to obszary "urodzajne" (wysoka produkcja pierwotna), znane z obfitych połowów. Intensywne prądy głębinowe występują w cieśninach łączących morza poboczne z oceanami, szczególnie tam, gdzie występuje silne nagrzewanie się mórz. Prądy występujące w cieśninach duńskich są warunkiem życia Bałtyku, gdyż powodują wymianę wód z Atlantykiem, podnosząc gęstość wody bałtyckiej i wzbogacając ją o tlen. W czasie długotrwałych sztormów zachodnich osiągają one prędkość 4-5 węzłów. Silne prądy o prędkościach 2-3 węzłów występują także u ujścia wielu rzek. Prądy, oceanologia - 8

9 Cyrkulacja termohalinowa globalna cyrkulacja oceanu spowodowana zmianami gęstości wody w zależności od stężenia soli i temperatury wody. Ogólnie mówiąc cyrkulacja powierzchniowa wywoływana przez wiatr ma składową północną po zachodniej stronie oceanów. Na przykład Prąd Zatokowy płynie od okolic równika do północnego Atlantyku, gdzie w okolicach Labradoru i Grenlandii oziębia się i opada tworząc północnoatlantyckie wody głębinowe (NADW). Potem ten prąd płynie blisko dna oceanu na południe i pojawia się po kilkuset latach w północno wschodnim Pacyfiku. Ta globalna cyrkulacja oceanu jest związana z wymianą energii pomiędzy tropikami i obszarami biegunowymi. Małe zmiany we własnościach cyrkulacji termohalinowej mogą powodować duże zmiany klimatyczne ze względu na dużą pojemność cieplną oceanu. Skale czasowe tych zmian są rzędu tysiąca lat. Cyrkulacja termohalinowa jest nazywana globalnym pasem transmisyjnym lub południkową cyrkulacją wymienną (ang. meridional overturning circulation, w skrócie MOC). Wody cyrkulacji termohalinowej charakteryzuje się na podstawie ich zasolenia, temperatury, ilości tlenu i innych czynników. Prądy, oceanologia - 9

10 Konwergencja i Dywergencja Woda powierzchniowa w prądzie zstępującym pogrąża się na głębokość na której jej gęstość zrówna się z gęstością otaczającego ośrodka. Na powierzchni morza przepływ jest skierowany do miejsca występowania prądu zstępującego, czyli poruszają się one ruchem zbieżnym. Zjawisko to nazywa się konwergencją powierzchniową. Wody prądu zstępującego wypierają na powierzchnię wody znajdujące się tam, powodując w innych miejscach powstawanie prądów wstępujących. Woda, osiągnąwszy powierzchnię morza, przemieszcza się na zewnątrz od obszaru występowania prądu wstępującego, co jest określane mianem dywergencji powierzchniowej (ruchu rozbieżnego). Jest to element cyrkulacji termohalinowej. Strefy konwergencji powierzchniowej powstają także w miejscach, gdzie stykają się napędzane wiatrami prądy powierzchniowe lub gdy są spychane w kierunku lądów. Dywergencja powierzchniowa zachodzi natomiast także wtedy, gdy prądy powierzchniowe oddalają się lub gdy płyną od lądów w kierunku otwartego morza. Zapadanie się lub wynurzanie się mas wodnych jest niemal stałym zjawiskiem, a położenie tych stref ulega jedynie nieznacznym zmianom sezonowym związanym z przemieszczaniem się stref stałych wiatrów. Prądy, oceanologia - 10

11 strefy konwergencji i dywergencji Inne: Prądy, oceanologia - 11