Niespodziewane prądy w Zatoce Bengalskiej burzą stuletnią teorię oceanu

Nowe badania z Zatoki Bengalskiej pokazują, że jeden z fundamentów współczesnej oceanografii nie zawsze działa tak, jak uczono przez sto lat.

Naukowcy śledzili przez dekadę dane z zakotwiczonej boi badawczej u wybrzeży Indii. Zamiast dobrze znanego schematu ruchu prądów względem wiatru w północnej części globu, zobaczyli coś zupełnie odwrotnego. To zmusza klimatologów i oceanografów do przemyślenia sposobu, w jaki oceany reagują na wiatr i jak wpływa to na pogodę oraz monsun.

Co się dzieje w Zatoce Bengalskiej

Zatoka Bengalska, położona między Indiami, Bangladeszem i Mjanmą, jest jednym z najbardziej dynamicznych akwenów na Ziemi. To tutaj rodzą się silne cyklony, tu też rozgrywa się część historii azjatyckiego monsunu, od którego zależy rolnictwo setek milionów ludzi.

Międzynarodowy zespół badaczy, związany m.in. z NOAA (amerykańska administracja ds. oceanów i atmosfery), indyjskim centrum informacji oceanicznej oraz Uniwersytetem w Zagrzebiu, przez około dziesięć lat analizował zapisy z boi zakotwiczonej na szerokości 13,5°N. Boi nie znosiły prądy ani fale – stała w jednym miejscu i mierzyła wiatr, temperaturę, zasolenie oraz prądy na różnych głębokościach.

Prądy przy powierzchni w północnej części globu lokalnie odchylają się w przeciwną stronę, niż przewidywała obowiązująca od 1905 roku teoria.

To odkrycie opisano w prestiżowym czasopiśmie Science Advances. Nie chodzi o pojedynczy epizod, lecz o powtarzający się schemat, widoczny w określonej porze roku.

Jak miało być według klasycznej teorii

Na początku XX wieku szwedzki badacz Vagn Walfrid Ekman zaproponował koncepcję, która zdominowała oceanografię na całe stulecie. Według niej wiatr pchający powierzchnię wody tworzy wierzchni prąd, który w północnej części globu skręca w prawo względem kierunku wiatru pod wpływem siły Coriolisa, związanej z obrotem Ziemi.

Im głębiej, tym ruch wody coraz bardziej zmienia kierunek i słabnie, tworząc rodzaj spirali. Ten schemat, znany jako spirala Ekmana, trafił do podręczników, modeli klimatycznych i programów komputerowych używanych przez meteorologów czy służby morskie.

• w północnej części globu prądy przy powierzchni powinny odchylać się w prawo od kierunku wiatru,
• w południowej – w lewo,
• cała kolumna wody reaguje jak stos warstw, każda lekko skręcona względem poprzedniej.

Taki opis sprawdza się w wielu rejonach oceanów, szczególnie tam, gdzie wody są mniej warstwowe, a wiatr działa w dość stabilny sposób. Zatoka Bengalska okazała się jednak bardziej kapryśna.

Dlaczego prądy w Zatoce Bengalskiej idą „pod prąd” teorii

Badacze przyjrzeli się okresowi południowo-zachodniego monsunu, czyli miesiącom lipiec–sierpień. W tym czasie nad regionem regularnie pojawiają się dzienne bryzy wiejące z lądu ku morzu, rozciągające się nawet na 400–500 km od wybrzeża. Ich prędkość sięga 1–2 m/s, co potrafi stanowić nawet 15% całej lokalnej prędkości wiatru.

Z pozoru to tylko kolejny element monsunu. Po zestawieniu z danymi z boi widać jednak, że coś jest nie tak. Prądy przy powierzchni zamiast skręcać w prawo, jak kazałby schemat Ekmana dla północnej części globu, skręcają w lewo. I robią to konsekwentnie w wybranych warunkach.

Warstwowy ocean i cienka „skórka” mieszania

Zatoka Bengalska ma bardzo silne warstwowanie wody. Na górze znajduje się cienka, ciepła i lżejsza warstwa, poniżej zaś wyraźna granica, nazywana termokliną, poniżej której woda jest znacznie chłodniejsza i gęstsza. To jak zestaw szklanek ułożonych jedna na drugiej, zamiast jednego, dobrze wymieszanego naczynia.

Termoklina zachowuje się jak bariera – ogranicza wymianę energii między powierzchnią a głębszymi warstwami. Wiatr „szarpie” więc głównie bardzo cienką górną warstwę, która reaguje mocniej niż w bardziej wymieszanych morzach.

Silne warstwowanie wody i regularne dzienne bryzy sprawiają, że klasyczne równania trzeba uzupełnić o nowe elementy, inaczej wynik rozmija się z pomiarami.

Szybkie wiatry, wolna rotacja Ziemi

Kluczową rolę odgrywa częstotliwość zmian wiatru. Ziemia obraca się w tempie wyznaczającym tzw. okres inercyjny – czas potrzebny, aby ruch wymuszony przez wiatr wykonał pełną „huśtawkę” pod wpływem siły Coriolisa. Jeśli wiatr zmienia się szybciej niż ten okres, woda nie nadąża reagować według klasycznego schematu.

W Zatoce Bengalskiej dzienne bryzy zmuszają powierzchniową warstwę do ciągłych korekt. Badacze pokazali, że przy tak krótkim okresie wiatru i przy tak silnym warstwowaniu, kierunek prądu może przejść na lewą stronę względem wiatru, wbrew temu, czego uczy się studentów oceanografii.

Nowe spojrzenie na relacje między oceanem a atmosferą

Dane z boi wskazują na obecność tzw. przepływów superinercyjnych – ruchów wody o częstotliwości większej niż lokalny okres inercyjny. To one odgrywają główną rolę w wywoływaniu nietypowej reakcji przy powierzchni.

Gdy naukowcy „doprawili” równania Ekmana o dzienną zmienność wiatru, silną termoklinę i tarcie turbulencyjne, nagle model zaczął odtwarzać to, co faktycznie zmierzyły instrumenty. Okazało się, że teoria nie tyle upada, co wymaga ważnego uzupełnienia o procesy dotąd uznawane za drugorzędne.

Analiza temperatury, zasolenia i gęstości pokazała, że każda zmiana w atmosferze – zwłaszcza systematyczne dzienne bryzy – zostawia ślad w powierzchniowych prądach. Ten „taniec” oceanu i powietrza okazuje się znacznie subtelniejszy, niż sugerowały uproszczone schematy w podręcznikach.

Co to oznacza dla prognoz pogody i klimatu

Na terytorium Azji ogromna część ludności polega na deszczach monsunowych. Delikatna zmiana w transporcie ciepła i soli przez prądy może wpływać na to, gdzie i kiedy tworzą się chmury deszczowe. Dokładniejsze zrozumienie reakcji oceanu na wiatr w tak wrażliwym akwenie, jak Zatoka Bengalska, może poprawić prognozy monsunu, a co za tym idzie – planowanie w rolnictwie.

Nie chodzi tylko o klimat w ujęciu wieloletnim. Błędne założenia dotyczące kierunku i siły prądów utrudniają modelowanie ruchu zanieczyszczeń, wycieków ropy czy dryfu szczątków po katastrofach morskich. Jeśli prąd przy powierzchni niesie substancje na lewo od wiatru, a model przyjmuje ruch w prawo, służby ratunkowe szukają w złym miejscu.

• lepsze prognozy monsunu i opadów w Azji,
• trafniejsze szacunki rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń morskich,
• dokładniejsze planowanie akcji ratunkowych na morzu,
• ulepszone modele obiegu składników odżywczych i produktywności biologicznej w tropikalnych akwenach.

Naukowcy spodziewają się, że misje satelitarne nowej generacji, takie jak planowana przez NASA misja poświęcona dynamice oceanu i wymianie z atmosferą, pozwolą sprawdzić, czy podobne zachowania prądów pojawiają się także w innych regionach. Satelity mają mierzyć wiatr i prądy z rozdzielczością około 5 km, co pozwoli „zobaczyć” drobniejsze struktury, dotąd gubione w uśrednieniach.

Dlaczego ta historia dotyczy również polskiego czytelnika

Na pierwszy rzut oka Zatoka Bengalska wydaje się daleka i egzotyczna. W rzeczywistości takie badania wpływają na narzędzia używane również przez europejskie instytucje meteorologiczne i służby morskie. Te same modele ogólnej cyrkulacji oceanicznej stosuje się przy prognozowaniu poziomu mórz, sztormów na Bałtyku czy rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w Morzu Północnym.

Jeśli fizycy morza poprawią opisy prądów przy powierzchni w tropikach, z czasem przełoży się to na lepsze odwzorowanie zjawisk także w innych rejonach. To trochę jak poprawka w silniku używanym w wielu samochodach – nie widać jej od razu, ale wpływa na pracę całej floty.

Jak rozumieć pojęcia używane przez oceanografów

Dla osób niezajmujących się zawodowo morzem niektóre terminy brzmią obco, ale opisują dość intuicyjne zjawiska. Siła Coriolisa to po prostu efekt wynikający z obrotu Ziemi – ruchome obiekty, w tym wodę, delikatnie „ściąga” na bok. Okres inercyjny można wyobrazić sobie jako czas, w którym kropla wody „kołysze się” na boki pod wpływem tego ściągania.

Termoklina to z kolei granica między ciepłą wodą przy powierzchni a zimną warstwą głębiej. Jeśli ta granica jest wyraźna i stabilna, powierzchnia reaguje jak cienka skórka na mleku – łatwo ją poruszyć, ale ruch nie przenika głęboko. Tam, gdzie takich warstw jest mniej, cała objętość reaguje bardziej solidarnie i wtedy klasyczny schemat Ekmana działa lepiej.

Historia z Zatoki Bengalskiej pokazuje, że nawet najbardziej znane teorie w naukach o Ziemi potrafią się „zadzierać” z rzeczywistością w szczególnych warunkach. Zamiast jednego uniwersalnego schematu, trzeba brać pod uwagę lokalne niuanse – częstotliwość wiatru, warstwowanie wody, tarcie. Dla laików to dodatkowa porcja abstrakcyjnych pojęć, dla inżynierów prognoz pogody i klimatu – konkretne poprawki, które mogą zdecydować o tym, czy prognoza okaże się trafna, czy zawiedzie w kluczowym momencie.