Bałwan w zatoce Bengalu: prąd morski płynie „pod prąd” podręczników

W jednej z najdokładniej przebadanych zatok na Ziemi naukowcy znaleźli zjawisko, które nie pasuje do stuletnich reguł oceanografii.

Nowe dane z boi pomiarowej w zatoce Bengalu pokazują, że prądy przy powierzchni potrafią skręcać w stronę przeciwną, niż uczono całe pokolenia studentów. Badacze sugerują, że trzeba przejrzeć na nowo część równań opisujących ruch mórz i ich wpływ na klimat.

Teoria, na której oparto całą współczesną oceanografię

Na początku XX wieku szwedzki oceanograf Vagn Walfrid Ekman opisał, jak wiatr napędza ruch wody na powierzchni i w głębi. W jego ujęciu wiatr pcha górną warstwę oceanu, a siła Coriolisa – związana z obrotem Ziemi – odchyla ten ruch. Na północy prąd powinien odchylać się w prawo od kierunku wiatru, na południu – w lewo.

Z biegiem głębokości kierunek prądu stopniowo się zmienia, tworząc tzw. spiralę Ekmana. To nie jest tylko elegancka teoria z tablicy – na jej podstawie budowano modele klimatyczne, prognozy upwellingu, obliczano transport ciepła i składników odżywczych w oceanach.

Przeczytaj również: Ta odmiana jabłek bije rekordy sprzedaży. Co w niej tak kusi?

Od ponad 100 lat przyjmowano, że w północnej części globu prądy wywołane wiatrem na otwartym morzu zawsze skręcają na prawo od jego kierunku.

Nowe wyniki z zatoki Bengalu pokazują sytuację odwrotną: tam, w północnej strefie, prąd idzie w lewo. I to nie jako chwilowy kaprys pogody, ale jako systematyczny schemat powiązany z lokalnymi warunkami atmosferycznymi i strukturą wody.

Zatoka Bengalu wyłamuje się ze schematu

Międzynarodowy zespół związany z NOAA, indyjskim centrum informacji oceanicznych i Uniwersytetem w Zagrzebiu przeanalizował dane z zakotwiczonej boi położonej w pobliżu 13,5° szerokości północnej. Urządzenie przez dekadę mierzyło prędkość wiatru, prądy, temperaturę, zasolenie i gęstość wody.

Przeczytaj również: Blue Origin chce chronić Ziemię przed asteroidami. Nowa misja NEO Hunter

Najbardziej zaskakujące wyniki pojawiły się podczas południowo-zachodniej pory monsunowej, od lipca do sierpnia. W tym okresie nad ocean regularnie „oddycha” ląd – w ciągu dnia pojawiają się wyjątkowo stabilne bryzy, które sięgają setek kilometrów od wybrzeża Indii.

• zasięg bryzy: około 400–500 km od brzegu,
• typowa prędkość: 1–2 m/s,
• udział bryzy w całkowitej prędkości wiatru: do 15%.

W klasycznym obrazie prąd przy powierzchni w takiej sytuacji powinien skręcać w prawo od kierunku tych wiatrów. Pomiary z boi uparcie wskazywały coś innego: prąd odchylał się w lewo. I to na tyle konsekwentnie, że trudno mówić o szumie pomiarowym czy jednorazowym epizodzie.

Przeczytaj również: Astronomowie zaskoczeni tajemniczym sygnałem radiowym co 36 minut

W zatoce Bengalu zaobserwowano w północnej części globu prądy, które pod wpływem wiatru biegną w lewo od jego kierunku – wbrew regule, która trafiła do wszystkich podręczników oceanografii.

Dlaczego akurat tam wszystko działa odwrotnie

Zatoka Bengalu ma specyficzną budowę warstw wody. U góry leży bardzo ciepła, stosunkowo słodka warstwa powierzchniowa. Niżej znajduje się wyraźna termoklina – cienka granica, pod którą woda jest znacznie chłodniejsza i gęstsza. To skuteczna bariera, która utrudnia mieszanie między powierzchnią a głębszymi partiami.

Taka pionowa struktura oznacza, że odpowiedź wody na wiatr koncentruje się w bardzo cienkiej warstwie górnej. Bryza działa jak nieustanny rytm, codziennie pobudzając powierzchnię. Okazuje się, że przy tej konfiguracji wchodzą do gry tzw. przepływy superinercyjne, czyli ruchy o częstotliwości większej niż ta odpowiadająca miejscowej sile Coriolisa.

Jak naukowcy „podkręcili” równania Ekmana

Zespół badawczy nie wyrzucił klasycznej teorii do kosza, tylko ją rozszerzył. Do oryginalnych równań dodano kilka elementów, które zwykle się upraszcza:

• wpływ silnej, płytkiej warstwy mieszanej i ostrej termokliny,
• krótkookresowe, regularne wiatry dzienne,
• tarcie turbulentne w warstwie przy powierzchni,
• lokalne różnice ciśnienia wody wynikające z pionowych gradientów gęstości.

Z obliczeń wyszło, że gdy okres powtarzania się wiatrów jest dużo krótszy niż okres ruchu wynikającego z siły Coriolisa, wektor prądu może przesunąć się na lewą stronę. Innymi słowy – sama matematyka dopuszcza taki scenariusz, tylko wcześniej nikt nie szukał go w danych z taką dokładnością.

Prąd może iść w lewo od wiatru na północnej półkuli, jeśli warstwa powierzchniowa jest bardzo płytka, dobrze odseparowana od głębi i pobudzana krótkookresowymi, regularnymi wiatrami.

Konsekwencje dla klimatu i prognozowania pogody

Zatoka Bengalu to nie jest lokalna ciekawostka na mapie. Od procesów zachodzących w tym akwenie zależy monsun nad południową i południowo-wschodnią Azją. A monsun z kolei kształtuje warunki upraw, dostęp do wody pitnej i bezpieczeństwo żywnościowe setek milionów ludzi.

Jeśli prądy przy powierzchni zachowują się inaczej, niż zakładano, zmienia się rozkład ciepła, zasolenia i składników odżywczych. To wpływa na:

Jeśli model prądów „skręca” o kilkadziesiąt stopni względem rzeczywistości, to prognozowana trasa plamy zanieczyszczeń czy dryfującej tratwy szybko mija się z prawdą. Dla ekip ratowniczych albo służb reagujących na katastrofy ekologiczne taka pomyłka ma bardzo wymierne skutki.

Nowe satelity sprawdzą, czy wyjątek stanie się regułą

Autorzy pracy liczą, że w najbliższych latach podobne anomalie uda się znaleźć także w innych akwenach. Pomóc mają w tym misje satelitarne, w których instrumenty jednocześnie mierzą wiatr i prąd przy powierzchni z rozdzielczością rzędu kilku kilometrów.

Jeśli zjawisko zaobserwowane w zatoce Bengalu okaże się częste w rejonach z silną stratygrafią i regularnymi bryzami, modele klimatyczne będą musiały uwzględnić cały nowy zestaw mechanizmów. W przeciwnym razie ryzykujemy systematyczne błędy w prognozach temperatury powierzchni morza, a więc też w prognozach opadów czy rozwoju cyklonów tropikalnych.

Co z tego wynika dla zwykłego odbiorcy prognoz

Dla przeciętnego czytelnika cała dyskusja o sile Coriolisa i warstwach wody może brzmieć jak spór akademików. W praktyce chodzi o to, jak dobrze rozumiemy „mechanikę” oceanu, która steruje pogodą nad lądem. Jeżeli modele lepiej uchwycą reakcję powierzchni morza na wiatr, prognozy ulewnych deszczy, susz czy ścieżek cyklonów staną się bardziej wiarygodne.

Zjawisko opisane w zatoce Bengalu pokazuje też, że nawet bardzo stare i ugruntowane teorie fizyczne mogą wymagać korekty, gdy pojawią się dokładniejsze dane. Nie chodzi o to, że wcześniejsze wyjaśnienia były całkiem błędne, ale że nie obejmowały całego spektrum możliwych warunków. Teraz oceanografowie dostają do ręki bardziej elastyczne narzędzie, pozwalające lepiej opisać sytuacje skrajne – takie jak silne monsuny nad płytkimi, mocno uwarstwionymi akwenami.