Sto let jistoty: co vlastně říká Ekmanova teorie
Přes sto let byli oceánografové přesvědčeni, že přesně rozumí tomu, jak vítr řídí proudy na mořské hladině. Data z Bengálského zálivu tento zavedený pořádek převracejí naruby.
Mezinárodní tým výzkumníků spolupracující mimo jiné s NOAA a indickým centrem oceánských informací shromažďoval celé desetiletí měření z jediné, zdánlivě obyčejné bóje ukotvené u břehů Indie. Z těchto zdánlivě nudných čísel se vynořil obraz, který do učebnic jednoduše nezapadá: v severní části Indického oceánu proudy na některých místech tekou přesně opačným směrem, než vědci předpokládali.
Jak Ekman vysvětlil pohyb ledových ker
Na začátku 20. století se švédský oceánograf Vagn Walfrid Ekman pokoušel pochopit, proč ledové kry driftující na Severním moři se odchylují od směru větru. Sestavil rovnice mechaniky tekutin s vlivem zemské rotace a navrhl model, který se stal základním kamenem moderní oceánografie.
Podle tohoto pojetí vítr pohání povrch oceánu a Coriolisova síla — důsledek rotace planety — stáčí pohyb vody. Na severní polokouli by povrchové proudy měly směřovat vpravo od větru, na jižní vlevo. S hloubkou se směr postupně mění a vytváří tzv. Ekmanovu spirálu, až vliv větru zcela vymizí.
V učebnicovém schématu se proudy na severní polokouli řadí napravo od větru. Vše, co vybočuje z tohoto vzoru, vyžaduje zvláštní vysvětlení.
Tento jednoduchý model pronikl do klimatických modelů, předpovědí počasí i simulací šíření ropných skvrn nebo driftu odpadků na oceánu. Po celá desetiletí nikdo vážně nezpochybňoval samotný směr odchylky.
Bengálský záliv říká učebnicím „ne"
Nová studie publikovaná v časopise Science Advances se zaměřuje na bóji ukotvenou přibližně na zeměpisné šířce 13,5 °S v Bengálském zálivu. Po dobu více než deseti let měřila rychlost a směr větru, teplotu, slanost a proudy v různých hloubkách.
Když vědci analyzovali data z mnoha sezón, odhalili něco překvapivého: za určitých podmínek se povrchové proudy nestáčely napravo od větru, nýbrž nalevo. A to na severní polokouli, kde by podle teorie mělo platit pravý opak.
Monzun, mořský vánek a pozoruhodně uspořádaný chaos
Nejsilněji je tento jev patrný během letního monzunu, od července do srpna. Tehdy nad Bengálským zálivem dominují velmi pravidelné denní větry vanoucí ze souše k moři. Tyto vánky dosahují až 400–500 kilometrů od pobřeží a jejich rychlost, ačkoliv malá (přibližně 1–2 m/s), tvoří až 15 % celkové síly větru v daném regionu.
Ve stejnou dobu je voda v zálivu silně vrstevnatá. Teplá, lehká vrstva u povrchu leží na chladnější, hustší vodě, oddělené výraznou termoklinoou — zónou prudkého poklesu teploty s hloubkou. Je to něco jako „skleněná přepážka" v oceánu, která brání mísení vodních hmot.
Kombinace silné vrstevnatosti vody a velmi pravidelných denních větrů vytváří jakýsi „laboratorní" experiment v regionálním měřítku.
Za takových podmínek proudy reagují převážně těsně u povrchu, zatímco hlubší vrstvy zůstávají téměř v klidu. To je ideální scéna pro odhalení jemných vlivů atmosférické dynamiky, které nejsou patrné ve více promíchaných vodách.
Proč se proudy stáčejí doleva?
Klíčem se ukázaly tzv. superinerciální toky. Jde o pohyby vody vyvolané větrem, jejichž frekvence je vyšší než perioda charakteristická pro pohyb vlivem Coriolisovy síly v daném místě. Tato místní „inerciální perioda" určuje, jak rychle se vodní hmota pohybuje, působí-li na ni výhradně zemská rotace.
Ve zkoumané oblasti se mořský vánek mění ve svém směru a síle v rytmu dne — tedy rychleji, než odpovídá inerciální periodě pro danou zeměpisnou šířku. Věda takovéto větry obvykle považovala za méně podstatné pozadí. Zde se však ukázaly jako hlavní hráč.
Když je perioda větru výrazně kratší než místní inerciální perioda, Coriolisův efekt přestává fungovat „klasickým" způsobem a proudy se mohou řadit na druhou stranu od směru větru.
Výzkumníci vzali původní Ekmanovy rovnice a doplnili do nich konkrétní podmínky: velmi mělkou mísící vrstvu, stabilní termoklinoou, pravidelný denní vítr a místní tlakové gradienty. Teprve takový rozšířený popis začal odpovídat pozorováním — proudy se skutečně za určitých okolností stáčejí doleva.
Role tření a místních rozdílů hustoty
Do hry vstupují ještě dva prvky, které jednoduché modely obvykle odsunují do pozadí:
- turbulentní tření — narážející částice vody, víry a malé nepravidelnosti, které „přenášejí" energii do hloubky,
- svislé a vodorovné rozdíly hustoty — vzniklé ze změn teploty a slanosti, tedy přímo spojené s výparem, srážkami a přítokem říční vody.
Analýza změn teploty, slanosti a hustoty v okolí bóje ukázala, že pravidelné vánky a vrstevnatost vody vytvářejí velmi specifické uspořádání. V takovém uspořádání se tření a tlakové gradienty stávají natolik silnými, že dokážou „přepnout" klasickou rovnováhu a dát proudům jiný směr, než předpovídá jednoduchý model.
Důsledky pro klimatické předpovědi i pro lidi
Přestože se studie týká jednoho regionu, její dopady sahají daleko za Bengálský záliv. Přibližně třetina lidstva závisí na asijských monzunových deštích a ty jsou silně vázány na výměnu energie a vlhkosti mezi atmosférou a oceánem.
Pokud se povrchové proudy chovají jinak, než předpokládají modely, mění se obraz toho, jak teplo a vlhkost cirkulují mezi mořem a atmosférou — a to přímo ovlivňuje monzun.
Lepší zachycení těchto jevů v numerických modelech může pomoci v následujících oblastech:
| Oblast | Možný přínos |
|---|---|
| Předpovědi monzunu | přesnější předvídání délky a intenzity dešťových období |
| Zemědělství v Asii | lepší plánování setí a zavlažování, menší riziko ztrát úrody |
| Hodnocení povětrnostních rizik | přesnější odhady rizika povodní a sucha |
| Řízení námořních katastrof | spolehlivější trasy driftu ropy, odpadů a záchranných vorů |
Pro záchranářské týmy nebo složky reagující na úniky ropy je změna v chápání směru proudů otázkou hodin, někdy minut. Pokud proud místo doprava zatočí doleva, mohou se znečišťující látky nebo vory s trosečníky ocitnout na úplně jiném místě, než ukazují mapy.
Co přinese pohled z vesmíru
Vědci doufají, že příští léta přinesou nová data z družic sledujících zároveň vítr i povrchové mořské proudy. Příkladem je plánovaná mise NASA nazvaná Ocean Dynamics and Surface Exchange with the Atmosphere, navržená pro pozorování s rozlišením každých 5 kilometrů.
Tak vysoké rozlišení umožní zachytit právě tyto „drobné" denní větry a jejich vliv na vodu, který dosavadní denní a týdenní průměry jednoduše vyhladily. Pokud se podobné anomálie jako v Bengálském zálivu objeví i v jiných oblastech, bude třeba přepočítat mnoho předpokladů považovaných za samozřejmé.
Proč se tato věc týká i Baltského moře
Z pohledu českého čtenáře se Bengálský záliv jeví jako velmi vzdálené místo. Fyzikální mechanismy jsou však univerzální. Baltské moře také zažívá denní změny větru, občasné vrstevnatosti vody a místní přímořské vánky. V měřítku našeho moře mohou být účinky slabší, avšak stále podstatné pro transport znečišťujících látek, výskyt řas nebo distribuci kyslíku ve vodě.
Instituty zkoumající Baltské moře již dnes využívají měřicí bóje a profilující sondy. Výsledky z Indického oceánu je mohou přimět k přezkumu předpokladů v numerických modelech a pečlivějšímu sledování situací, kdy proudy „utíkají" od linie větru nečekaným směrem.
Kde nás fyzika může ještě překvapit
Příběh s Ekmanovou teorií připomíná, že i uznávané, stoleté koncepty se mohou rozpadnout, jakmile se objeví nové, přesnější měření. Z praktického hlediska to znamená, že:
- oceánské modely vyžadují častější ověřování v malých časových měřítkách,
- do předpovědí je třeba zahrnovat nejen silné bouře, ale také pravidelné, slabší denní větry,
- místní měření z jediné bóje nebo stanice mohou odhalit procesy s globálním významem.
Pro lidi zajímající se o klima a moře je to signál, že nejzajímavější věci se odehrávají na pomezí různých oborů: meteorologie, fyziky moře, hydrologie a satelitních technologií. A pro obyvatele oblastí závislých na monzunu je to naděje na přesnější předpovědi, které jim umožní lépe se připravit na příliš slabé nebo naopak příliš vydatné deště.
