Ruchy wody morskiej

Wody oceaniczne pozostają w nieustannym ruchu, co prowadzi do ich cyrkulacji, która jest spowodowana różnicą gęstości wody morskiej. Napędzana jest siłą wiatru. Dowodem na istnienie dynamiki morskiej jest występowanie fal, pływów czy sejsz.

Fale

Ruch cząsteczek wody w morzu jest zróżnicowany. W głębokich zbiornikach, cząstki wody poruszają się po orbitach kołowych z prędkością wprost proporcjonalną do długości fali. Ich ruch jest przekazywany cząstkom poniżej tylko w pewnym stopniu, by w końcu zaniknąć na głębokości równej połowie długości fali. Fale głębokowodne stanowią fale krótkie. W przypadku zbiorników płytkich przemieszczanie cząstek wody ma kształt elipsy (prędkość jest wprost proporcjonalna do głębokości wody), jednak przy dnie, które jest płytko, występuje tylko ruch horyzontalny. W takim przypadku mówimy o falach długich.

Fale, zbliżając się do brzegu, zmieniają kształt. W wyniku tarcia o dno maleje ich prędkość i długość, a zwiększa się wysokość. Gdy głębokość wody wynosi 3/4 wysokości fali, dochodzi do załamania i powstania fali przybojowej. Jeśli głębokość wody zmaleje do 1/20, rozpocznie się poziome przemieszczanie wody, prędkości na szczytach fal będą większe i cząstki wody zaczną się z nich urywać, przekształcając całą falę w grzywacz. Miejsca, gdzie powstają grzywacze, nazywane są strefą kipieli.

Typy fal w zależności od genezy:

• sejsmiczne - wywołane przez trzęsienia ziemi,

• pływowe - wywołane oddziaływaniem księżyca,

• baryczne - wywołane różnicami ciśnienia atmosferycznego,

• okrętowe - wywołane przez transport morski.

Główne przyczyny i mechanizmy powstawania fal morskich

Wiatr

Odpowiedzialny jest za powstawanie fal wiatrowych. Gdy wieje z małą prędkością, na powierzchni morza pojawiają się niewielkie zmarszczki zwane falami kapilarnymi. Mają one zaokrąglone grzbiety i wąskie doliny. Drobne podwyższenie prędkości skutkujące wydłużeniem fali do 1,5 cm całkowicie ją zmienia. Grzbiety i doliny stają się podobne. Dalsze przyspieszanie poruszania się powietrza zwiększa stromość fal, aż do pojawienia się grzywaczy. Kolejne wzrosty prędkości sprawiają, że fale poruszają się w tym samym tempie co wiatr, a ich wierzchołki stają się spiczaste. W czasie trwania sztormów, kiedy ruch powietrza przekracza 20 m/s, powstają olbrzymie fale o wysokości od 7 do ponad 30 m. Warto zaznaczyć, że tworzenie się fal wiatrowych wymaga nie tylko dużego akwenu lub prędkości, ale także odpowiednio długiego czasu wiania wiatru, co jest istotne w „napędzaniu” falowania, które odpowiada za przypowierzchniowy ruch wody.

Układy baryczne

Przesuwające się nad oceanem duże układy baryczne (np. cyklony) powodują odkształcenie powierzchni wody. Przy niżach każdy spadek ciśnienia o 1 hPa powoduje lekkie podniesienie się oceanu (średnio o 1 cm). Powoduje to powstanie fal barycznych. Pomimo niewielkiej wysokości, szybko przesuwający się tajfun, zbliżając się do wybrzeża, może uformować falę, która osiągnie kilkanaście metrów.

Wyjątkowym rodzajem fal są sejsze, czyli fale stojące. Występują one w zatokach, zalewach oraz dużych jeziorach i morzach zamkniętych. Ich długość zbliżona jest do wymiarów akwenu, na którym powstają. Sprawia to, że gdy w jednym miejscu następuje podniesienie wody, w przeciwległym dochodzi do opadania, niczym w wahadle. W środku akwenu woda praktycznie się nie rusza - to miejsce nazywane jest węzłem sejszy.  Wysokość sejsz jest zmienna i wynosi od kilku centymetrów do jednego metra. Trwają one zazwyczaj do kilkunastu minut.

Przyczynami powstawania sejsz są: różnice w ciśnieniu atmosferycznym po przeciwnych stronach brzegowych zbiornika, szybkie przejścia frontów atmosferycznych, porywiste wiatry, pływy lub trzęsienia ziemi.

RqpoLPdrvBgsK

Dwa zdjęcia obok siebie przedstawiają jezioro Loch Ness. Na powierzchni wody powstała niewielka wypukłość - fala zwana sejszą. Po drugiej stronie jeziora wznoszą się wzgórza.

Trzęsienia ziemi i wybuchy podwodnych wulkanów

Tsunami jest falą wzbudzoną poprzez podmorskie trzęsienia ziemi, wybuchy podwodnych wulkanów, ale także osuwiska podwodne. Podczas przemieszczania się po oceanie bywa praktycznie niezauważalna dla dużych statków (wysokość fali to około 1 m). Przy brzegu jednak szybko spiętrza się do około 30–40 m. Ponieważ rozchodzi się po oceanie promieniście, stanowi zagrożenie dla dużych obszarów.

R1M8OIlMboTo7

Na kuli ziemskiej pokazano tsunami rozchodzące się w pobliżu wybrzeży Sumatry. Fale rozchodzą się koncentrycznie w kierunku południowo-wschodniego wybrzeża Indii oraz zachodniego wybrzeża Półwyspu Indochińskiego.

R1QCuNFCekgYZ

Na mapie przedstawiono prędkość rozchodzenia się tsunami po trzęsieniu ziemi w Chile w 1960. Fale tsunami, które uderzyły w wybrzeże południowoamerykańskie, pokonały cały Pacyfik, uderzając w hawajskie miasto Hilo, a także w wybrzeża Japonii i Filipin. Na mapie zaznaczono liniami izochrony. Linie mają różne kolory - od czerwonego epicentrum w Chile przez kolor żółty, zielony, do niebieskiego na północy mapy. Po siedmiu godzinach tsunami dociera do północnego wybrzeża Ameryki Południowej, po 7-13 godzinach do krajów Ameryki Środkowej, po 12 godzinach do Nowej Zelandii, po 13-16 godzinach do wybrzeży Stanów Zjednoczonych, po 15-20 godzinach obejmuje wybrzeże Australii, pomiędzy wartością 17 a 20 dociera do Kanady. Po 22 godzinach dociera do Alaski, południowego i wschodniego wybrzeża Azji.

Pływy

Pływy jak już wiesz z działu Ziemia we wszechświecie to okresowe i regularne ruchy wód oceanicznych, które polegają na wznoszeniu i opadaniu poziomu morza. Cykliczny wzrost poziomu od najniższego położenia do najwyższego nazywamy przypływem, a zjawisko odwrotne - odpływem. Długość trwania tych zjawisk nazywamy odpowiednio czasem trwania przypływu i czasem trwania odpływu.

Już wiesz

RaANZOgj6rkQj

Ilustracja przedstawia sposób formowania pływów przez siły grawitacyjne Księżyca i siłę odśrodkową. Po prawej stronie ilustracji jest Księżyc. Strzałkami skierowanymi w górę i w dół zaznaczono krążenie Księżyca wokół Ziemi. Po lewej stronie ilustracji jest kula ziemska z Amerykami. Na północy kuli ziemskiej zaznaczono odpływ, na wschodzie przypływ. Pomiędzy Księżycem a Ziemią, za pomocą strzałki skierowanej w dwie strony, zachodzi przyciąganie wód oceanicznych przez siłę ciężkości Księżyca. Ziemia i Księżyc są umieszczone na tle gwieździstego nieba.

Na pływy na Ziemi oddziałuje także, choć w mniejszym stopniu, siła przyciągania Słońca. Gdy środki Ziemi, Księżyca i Słońca znajdują się w prostej linii, wtedy ich   oddziaływanie grawitacyjne sumuje się. W takim przypadku pływy osiągają maksymalne wartości – powstaje przypływ syzygijny. Z kolei, gdy Księżyc jest w położeniu prostopadłym do Słońca, będąc w pierwszej lub ostatniej kwadrze, zachodzi przypływ kwadraturowy. Podczas jego trwania wielkość pływu równa jest różnicy wysokości fali przypływu wywołanego przez Księżyc i Słońce. Jeżeli za wysokość fali przypływu wywołanego tylko przez Księżyc przyjmiemy wartość równą 1, to przy przypływie syzygijnym wartość ta wzrośnie do 1,46, zaś przy kwadraturowym spadnie do 0,54.

RRp6twzy7vhdj

Dwie grafiki jedna nad drugą przedstawiają dwa rodzaje przypływów: kwadraturowy i syzygijny. Na obu grafikach po lewej stronie są słońca, po prawej kule ziemskie. Przypływ kwadraturowy. Od Słońca do Ziemi poprowadzono wygiętą łukowato strzałkę z napisem „przypływ wywołany przez Słońce”, a pod nią strzałkę przerywaną z napisem „Księżyc”. Nad i pod kulą ziemską, prostopadle do niej, umieszczono dwa ujęcia Księżyca: nad Ziemią Księżyc w pierwszej kwadrze. Pod kulą ziemską Księżyc w ostatniej kwadrze – tutaj dodano strzałkę od Księżyca do Ziemi z napisem „przypływ wywołany przez Księżyc”. Od Słońca do Księżyca w ostatniej kwadrze biegnie linia z napisem „przypływ kwadraturowy”. Przypływ syzygijny. Od Słońca do Ziemi poprowadzono wygiętą łukowato strzałkę z napisem „przypływ wywołany przez Słońce”. Pod nią umieszczono strzałkę przerywaną do Księżyca w nowiu, od którego odchodzi łukowato wygięta strzałka do kuli ziemskiej z napisem „przypływ wywołany przez Księżyc”. Po przeciwległej stronie Ziemi znajduje się drugie ujęcie Księżyca – w pełni. Od Słońca do Księżyca w pełni biegnie linia z napisem „przypływ syzygijny”.

Ciekawostka

W ujściach rzek pływy mogą zaznaczać się nawet kilkaset kilometrów od morza. Są to duże i wysokie fale pływowe typu bora, na Amazonce nazywane pororoka. Fale te przemieszczają się niezmiernie szybko i posiadają znaczną wysokość czoła, dzięki czemu mogą wdzierać się daleko wgłąb lądu, wykorzystując do tego celu doliny rzek. Szczególny przypadek stanowi Amazonka, w której falę obserwuje się 1400 kilometrów od Atlantyku. Zjawisko to występuje na blisko 80 rzekach na świecie. Często fale tego typu wykorzystują surferzy, którzy podkreślają, że ze względu na mniejszą gęstość słodkiej wody są one bardzo wymagające.

R1H41tTBO9e3v

Na zdjęciu sfotografowana z góry wysoka fala pływu na rzece Qiantang w Chinach. Fala jest spieniona, kolor - czoło fali jest brązowe, dalej, w głąb rzeki fala jest biała.

Downwelling (prąd zstępujący)

Downwelling (prąd zstępujący) jest to inaczej proces zapadania powierzchniowych warstw wody oceanicznej ku głębinom. Cieplejsze masy wody podczas przemieszczania w wyższe szerokości geograficzne oddają ciepło, a ochładzając się, zwiększają gęstość i opadają. Następnie przemieszczają się jako prądy głębinowe w stronę równika. Po dotarciu do szelfu bardzo powoli unoszą się ku powierzchni. Proces ten jest częścią cyrkulacji termohalinowejcyrkulacja termohalinowacyrkulacji termohalinowej. Wody o niższej temperaturze i dużym zasoleniu są bardziej gęste niż te o wyższej temperaturze i mniejszym zasoleniu, co przyczynia się do ich opadania. Tam gdzie występuje downwelling, składniki odżywcze w słupie wody są wykorzystywane, ale nie są stale uzupełniane przez zimną, bogatą w składniki odżywcze wodę dopływającą z głębin. Downwelling odgrywa kluczową rolę w wentylacji głębokich warstw oceanu. Dzięki niemu woda transportuje rozpuszczony tlen z powierzchni w głąb, zapewniając organizmom odpowiednie warunki do oddychania. Bez tego procesu tlen zostałby szybko zużyty przez reakcje biologiczne, co doprowadziłoby do przejęcia rozkładu przez bakterie beztlenowe. W konsekwencji zaczęłyby się gromadzić toksyczne gazy, takie jak siarkowodór, tworząc warunki, w których tylko nieliczne zwierzęta denne są w stanie przetrwać.

Downwelling występuje:

• na Północnym Atlantyku,

• wzdłuż najbardziej zewnętrznej granicy Oceanu Południowego, gdzie zimna woda Antarktydy tonie poniżej cieplejszych wód Południowego Pacyfiku i Południowego Atlantyku,

• na wybrzeżach, gdzie wiatr wieje w takim kierunku, że przesuwa wodę w kierunku wybrzeża, co następnie powoduje gromadzenie się wody i spychanie jej w dół.

Upwelling przybrzeżny

Upwelling przybrzeżny czyli  wypływ wód z głębszych warstw oceanu do warstw powierzchniowych; występuje w strefie przybrzeżnej zachodnich wybrzeży kontynentów obu półkul. Jest on wywoływany przede wszystkim przez wiatry wiejące wzdłuż brzegu, które przyczyniają się do odpływania od brzegu wody powierzchniowej i zastępowania jej wodami z niższych warstw.

Osłabnięcie przepływu wiatru powoduje zahamowanie wypływu zimnych wód i w Ameryce Południowej obserwowane jest w takim wypadku zjawisko El Nino.

R16k1fhjYuFB9

Schemat zjawiska upwellingu. Na schemacie zaznaczono piaszczysty brzeg i powierzchnię wody z różnymi odcieniami. Wzdłuż brzegu ze wschodu na zachód wieje wiatr. W kierunku wiatru od strony wody są skierowane strzałki, które przed strzałkami symbolizującymi wiatr zawracają.

Upwelling równikowy

Drugi rodzaj upwellingu zachodzi w strefie równikowej. Jest wynikiem występowania międzyzwrotnikowej strefy zbieżności wywołanej pasatami. Powstaje wtedy strefa, w której do powierzchni dochodzi gęstsza i bogata w składniki odżywcze woda. Dzięki temu region równikowy na Pacyfiku można wykryć z kosmosu jako szeroką wstęgę wysokiego stężenia fitoplanktonu.

R104rlgeNAflQ

Na mapie zaznaczono występowanie fitoplanktonu w strefie upwellingu równikowego na Pacyfiku. Po prawej stronie mapy jest fragment Ameryki Środkowej i Południowej. Po lewej stronie jest Pacyfik. Pod mapą znajduje się skala od koloru fioletowego, przez zielony, żółty, pomarańczowy, aż do czerwonego - od wartości 0,05 do 30. Część oceanu powyżej i poniżej równika jest praktycznie pozbawiona chlorofilu - fitoplanktonu. Ilość około 0.5‑0.6 miligrama na metr sześcienny występuje na równiku. Blisko lądu - u zachodniego wybrzeża Ameryki Południowej koncentracja fitoplanktonu jest duża - osiąga wartość od 2.5 do 10. Maleje wraz z oddalaniem od wybrzeża. Największa jest od równika do 105 stopnia szerokości geograficznej.

Regiony upwellingu są ważnym źródłem produktywności morskiej i przyciągają wiele gatunków na wszystkich poziomach troficznych.