Warstwa górna a warstwa głębinowa dwa reżimy cyrkulacji wód w Morzu Bałtyckim. Robert Osiński, Jaromir Jakacki Instytut Oceanologii PAN e-mail: roberto@iopan.gda.pl Badania naukowe można klasyfikować jako teoretyczne i doświadczalne. Jednak w ostatnich latach dzięki szybkiemu rozwojowi wydajności obliczeniowej superkomputerów 1, pojawiła się nowa kategoria badań, badania obliczeniowe. W rozwijającym się świecie techniki - możliwości i dostepność supekomputerów jest coraz większa. W ciągu ostatnich pięciu lat wydajność maszyn obliczeniowych wzrosła dziesięciokrotnie (http://www.top500.org/) przechodząc z osbszaru wydajności tera- (10 12 ) do peta- (10 15 ) FLOPS (liczba operacji zmiennoprzecinkowych na sekondę). Pozwala to na budowę modeli numerycznych oceanu a także systemu atmosfera-lód morski-ocean, które z dużą dokładnością odzwierciedlają stan i zmiany w środowisku morskim. Symulacja komputerowa pozwala przeprowadzić eksperyment w stworzonym numerycznie świecie z zadanymi rzeczywistymi siłami wymuszającymi i poddać wynik analizie podobnej jak dane pomiarowe. Przewagą wyników obliczeń numerycznych jest trójwymiarowy obraz pól, którego zmienność może być przedstawiona w postaci animacji. Takie przedstawienie wyników prac naukowych może mieć również duże znaczenie dydaktyczne i w łatwy i nowoczesny sposób propagować np. wiedzę o Morzu Bałtyckim i jego roli w kształtowaniu klimatu Północnej Europy. W niniejszej prezentacji przedstawimy analizę cyrkulacji wód w Morzu Bałtyckim w ostatnich dwóch dekadach na podstawie obliczeń numerycznych wykonanych na superkomputerach znajdujących się centrum informatycznym TASK na Politechnice Gdańskiej. Morze Bałtyckie, jeden z największych zbiorników wód słonawych, jest płytkim, półzamkniętym morzem szelfowym (średnia głębokość 52 m, tylko10% powierzchni morza ma głębokość powyżej 100 m) o ograniczonym kontakcie z oceanem. Złożona linia brzegowa i stosunkowo bogata topografia dna powoduje, że można wydzielić regiony o odmiennym charakterze hydrologicznym. Ogólnie przyjmuje się podział na 7 regionów: Botnik Północny (Zatoka Botnicka), Botnik Południowy (Morze Botnickie), Zatoka Fińska, Zatoka Ryska, Bałtyk Właściwy (Bałtyk Południowy, Baltic Proper) - największy i najgłębszy region, Cieśniny Duńskie i Kattegat. Rejony takie jak Zatoka Fińska i Ryska nie mają wyraźnych progów topograficznych oddzielających je od reszty akwenu, lecz istniejące bardzo silne fronty hydrologiczne i ukształtowanie linii brzegowej dają podstawę do wydzielenia tych akwenów. Największym powierzchniowo i objętościowo jest Bałtyk Właściwy (ponad 50 % objętości i powierzchni wody). Każdy region można traktować jako oddzielny obiekt, który zawiera podobiekty np. Bałtyk Właściwy zawiera między innymi: Basen Bornholmski, Głębię Gdańską, Rynnę Słupską, Basen Gotlandzki. W Bałtyku występuje szereg niewielkich 1 Superkomputery to komputery, które w danym czasie mają największą moc obliczeniową.
elementów topograficznych, które mimo swych małych rozmiarów mają zasadnicze znaczenie dla hydrologii i cyrkulacji wód w akwenie. Morze Bałtyckie można traktować jako wielkie estuarium, gdzie znaczny dopływ wód słodkich i ograniczona wymiana wód z Morzem Północnym, powodują silną pionową stratyfikację gęstościową. Dynamika estuariów jest głównie determinowana przez zmienne dopływy wód słodkich i wymianę przez cieśniny. Istnije jednak mezoskalowa dynamika, pojawiające się wiry i termohalinowe efekty decydujące o transporcie i mieszaniu w Bałtyckie charakterystyczne dla morza (Elken, 1996). Morze Bałtyckie charakteryzuje się bardzo dużymi gradientami zasolenia zarówno w pionie jak i w poziomie, co jest efektem wlewających się wód słonych i dopływu wód rzecznych. Taki układ determinuje stratyfikację, tworząc warstwę powierzchniową (górną), wymieszaną (ang. mixed layer) i stratyfikowaną warstwę głębinową (dolną) i właśnie taki podział decyduje o rozdzieleniu tych warstw i odmiennym reżimie cyrkulacji. Morze Bałtyckie jest bardzo trudnym akwenem do modelowania numerycznego. Z jednej strony zjawiska mezoskalowe wymagają włączenia całego akwenu, z drugiej bardzo niewielkie przestrzennie struktury batymetrii, które mają zasadnicze znaczenie dla hydrologii Bałtyku. W pionie występuje bardzo silna stratyfikacja gęstościowa a warstwa przydenna ma duże znaczenie dla transportu wód wlewowych. Dla bilansu wodnego konieczne jest uwzględnienie rzek i różnicy między opadami a parowaniem. Wszystkie te elementy powodują, że aby dobrze odwzorować rzeczywistość Bałtyku niezbędna jest skala przestrzenna rozwiązująca wiry (kilkakrotnie razy mniejsza niż baroklinowy promień Rossby ego, Osinski,2010), a jednocześnie długi okres symulacji.
Rysunek 1. Średnia roczna prędkość przepływów [cm/s] (kolorowa skala) i wektory prędkości wody (strzałki) dla warstwy górnej. Wynik symulacji komputerowej Na klimat Bałtyku wpływ mają zarówno Ocean Atlantycki jak i kontynent europejski, jest to więc obszar ścierania się wpływów oceanicznych i kontynentalnych. Morze położone jest w rejonie klimatu umiarkowanego, charakteryzującego się dużą zmiennością pogody zarówno w skali dziennej jak i rocznej, a również wieloletniej. Morze Bałtyckie znajduje się w rejonie przeważających wiatrów zachodnich z częstymi cyklonami znad Atlantyku przynoszącymi powietrze polarno-morskie - ciepłe zimą a chłodne latem. W rejonie Bałtyku południowego w okresie jesienno-zimowym przeważają wiatry z sektora południowo-zachodniego, w okresie letnim z kierunku zachodniego (Kwiecień, 1987), jedynie w lutym i marcu większą częstość wykazują wiatry z kierunków południowo-wschodnich i wschodnich. Ze względu na kierunek i siłę wiatru można wydzielić trzy okresy: od marca do maja z dość znacznym udziałem wiatrów wschodnich, czerwiecwrzesień przewaga wiatrów zachodnich i południowo-zachodnich, październik-marzec wiatry południowo-zachodnie. Maksymalne prędkości wiatrów występują w okresie jesiennozimowym.
Rysunek 2. Średnia roczna prędkość przepływów [cm/s] (kolorowa skala) i wektory prędkości wody (strzałki) dla warstwy górnej. Wynik symulacji komputerowej Prądy w Bałtyku są bardzo zmienne, w dużej mierze zależne od zmiennego pola wiatrów. W skali kilkunastu godzin cyrkulacja może zupełnie się zmienić a istniejące wiry dysypować. Jednak w dłuższym okresie, przy uśrednianiu wieloletnim wyłania się wyraźny obraz średnich przepływów i cyrkulacji, często związanych z basenami bałtyckimi, z ograniczonym transportem między poszczególnymi rejonami (Rys. 1). Analiza cyrkulacji, ze względu na swą odmienność, została przeprowadzona dla dwóch warstw. Warstwa górna, nie rozdzielona progami topograficznymi i warstwa głębinowa, gdzie baseny są izolowane topograficznie. Latem górna warstw jest ogrzewana i tworzy się sezonowa termoklina. Jesienią i zimą jest ona erodowana, poprzez mieszanie wiatrowe i konwekcję termiczną aż do całkowitego zaniku. Warstwa górna jesienią i zimą jest wymieszana do halokliny. Topografia dna powoduje izolację wewnątrz warstwy głębinowej i woda w poszczególnych basenach różni się swoimi parametrami. Wymiana wód przydennych w pionie i w poziomie jest znacznie ograniczona. Z jednej strony poszczególne baseny są rozdzielone poprzez progi i płycizny, z drugiej warstwy w pionie rozdzielone są przez silną haloklinę, która jest jednocześnie piknokliną i ograniczeniem dla pionowego zasięgu mieszania wiatrowego i konwekcyjnego. Te czynniki prowadzą do stagnacji wód głębinowych i niebezpieczeństwa pojawienia się deficytu tlenowego w głębokich basenach w okresach kiedy nie ma wlewów z Cieśnin Duńskich. Jedynym procesem, który zapewnia wymianę wód poniżej halokliny w sposób intensywny są wlewy z Morza Północnego (Reissmann i in., 2007). Średnia energia kinetyczna (EK) wody dla całego akwenu Morza Bałtyckiego wykazuje sezonowość związaną z sezonowością pola wiatrów. Na wartość EK decydujący wpływ ma pęd przekazywany z atmosfery do morza, natomiast efekty związane z wlewami są drugorzędne, gdyż prędkości przydennej wody, poza nielicznymi wyjątkami np. w rejonie Rynny Słupskiej, (Rys. 2) są o rząd wielkości niższe niż w warstwie powierzchniowej. Najsilniejsze powierzchniowe przepływy do 15 cm/s występują wzdłuż południowych wybrzeży Bałtyku (costal jets), szczególnie wzdłuż Półwyspu Helskiego. Nieco słabsze u wschodnich wybrzeży Bałtyku, w południowych rejonach Zatoki Botnickiej i na Morzu Alandzkim (najsłabsze przepływy, poniżej 1 cm/s, występują w środkowej części Zatoki Fińskiej, centralnych rejonach basenu Bornholmskiego, Zatoki Botnickiej i Głębi Gotlandzkiej. Średnia cyrkulacja wykazuje liczne zawirowania cyklonalne. Najwyraźniejsze w rejonach głębi: Gdańskiej, Gotlandzkiej i Bornholmskiej. Antycyklonalna cyrkulacja występuje jedynie w rejonie Głębi Landsort i w Zatoce Hano. Prądy w warstwie głębinowej są na znacznych obszarach słabsze niż w warstwie górnej. Podobnie jak w warstwie powierzchniowej dominuje cyrkulacja cyklonalna związana z konfiguracją dna. Występuje wyraźnie widoczny transport od Basenu Arkońskigo, poprzez Bramę Bornholmską, Głębię Bornholmską, Rynnę Słupską, Głębię Gdańską aż do Głębi Gotlandzkiej. Morze i Zatoka Botnicka mają swoje oddzielne cyrkulacje cyklonalne. Jedynie w Głębi Landsort występuje cyrkulacja o charakterze antycyklonalnym. Najsilniejsze prądy występują w rejonach Bałtyku Południowym i Botniku a w szczególności w rejonie Rynny Słupskiej.
Literatura: Elken, J., 1996. Deep Water Overflow, Circulation and Vertical Exchange in the Baltic Proper. Report Series No. 6. Estonian Marine Institute, Tallinn, Estonia, 91 str. Kwiecień, K., 1987. Warunki klimatyczne, [w:] Bałtyk Południowy, (red.) B. Augustowski. Gdańskie Tow. Naukowe, Ossolineum, Wrocław, 219-288. Osiński R., D.Rak, W.Walczowski, J.Piechura, Baroclinic Rossby radius of deformation in the southern Baltic Sea, Oceanologia 2010, no. 52(3), pp. 417-429 Reissmann, J., H. Burchard, R. Feistel, E. Hagen, H.U. Lass, V. Mohrholz, G. Nausch, L. Umlauf, G. Wieczorek, 2007. State-of-the-art review on vertical mixing in the Baltic Sea and consequences for eutrophication. Progr. Oceanogr.