Oceaniczne fale Kelvina: jak zaburzenia pod powierzchnią oceanu wpływają na klimat

Jak powstaje fala Kelvina przy brzegu?

Wyobraźmy sobie długi kanał lub prosty fragment jeziora o płaskim dnie. Woda tworzy jedną warstwę o jednakowej gęstości. Nagły powiew wiatru wiejącego wzdłuż kanału może spiętrzyć wodę i wywołać falę. Gdy wiatr osłabnie, grawitacja próbuje wyrównać powierzchnię. Woda przechodzi przez położenie równowagi i zaczyna oscylować — poruszać się w górę i w dół. Tak powstaje fala grawitacyjna, w której siła ciężkości przywraca równy poziom wody.

Wybierz teraz „Fala grawitacyjna — bez obrotu”. Grzbiet, czyli najwyższa część fali, wędruje wzdłuż brzegu. Zaznaczone cząstki wody wykonują ruch poziomy i pionowy, kreśląc elipsy. Po pełnym cyklu wracają do punktu wyjścia. Fala przenosi energię, podczas gdy cząstki oscylują w pobliżu swoich początkowych położeń. Wielkość wychyleń jest taka sama przy brzegu, jak i dalej od niego.

Litera H na suwaku oznacza głębokość wody przed nadejściem fali. Litera g oznacza przyspieszenie ziemskie: mówi, jak szybko grawitacja zwiększa prędkość swobodnie spadającego ciała. Przy powierzchni Ziemi jest to około 9,8 metra na sekundę do kwadratu. W fali długiej odległość między sąsiednimi grzbietami jest znacznie większa niż głębokość wody. Na przykład fala o długości 20 kilometrów w wodzie głębokiej na 10 metrów jest falą długą. Im głębsza woda, tym szybciej taka fala się rozchodzi.

Co zmienia obrót Ziemi?

Teraz wybierz falę Kelvina. Obrót Ziemi powoduje odchylenie poruszającej się wody, opisywane jako siła Coriolisa. Na półkuli północnej siła Coriolisa odchyla cząstkę zawsze w prawo względem kierunku jej ruchu. Im szybciej płynie woda, tym silniejsze jest odchylenie.

Fala Kelvina wędruje wzdłuż brzegu, ale woda porusza się tam i z powrotem. Pod grzbietem cząstki płyną w kierunku wędrówki fali, a pod doliną — w przeciwnym. Podobnie jest z falą na stadionie: przesuwa się ona wokół trybun, choć widzowie tylko wstają i siadają.

Gdy przechodzi grzbiet, powierzchnia wody jest wyższa przy brzegu niż dalej od niego. Tam, gdzie powierzchnia jest wyższa, nad wodą znajdującą się na tej samej głębokości leży więcej wody. Jej ciężar powoduje większe ciśnienie. Siła Coriolisa działa wtedy ku brzegowi, a różnica ciśnienia popycha wodę od brzegu. Oba działania się równoważą.

Gdy przechodzi dolina, poziom wody przy brzegu opada najgłębiej, a dalej od niego powierzchnia jest wyższa. Prąd odwraca kierunek, więc siła Coriolisa ciągnie wodę w głąb morza. Z kolei wyższa woda z otwartego morza napiera w stronę powstałego przy brzegu obniżenia. Obie te siły idealnie się równoważą, więc woda nadal płynie wyłącznie równolegle do lądu.

Na półkuli północnej uwięziona fala Kelvina biegnie wyłącznie tak, że ma brzeg po prawej stronie swojej wędrówki. Wynika to z faktu, że tylko przy tym kierunku amplituda fali jest największa przy brzegu i maleje w głąb oceanu — zarówno w grzbiecie, jak i w dolinie. Gdyby fala spróbowała biec w drugą stronę, z brzegiem po lewej, siła Coriolisa wymagałaby, aby amplituda rosła bez ograniczenia w stronę otwartego morza. Takie rozwiązanie nie może opisywać fali uwięzionej przy brzegu.

Prąd płynie równolegle do brzegu. Jest najsilniejszy przy brzegu i słabnie dalej od niego. Razem z nim maleje wychylenie powierzchni, dlatego fala jest uwięziona w pasie przybrzeżnym. Litera R oznacza charakterystyczną szerokość tego pasa: w odległości R amplituda spada do około 37 procent wartości przy brzegu, a w odległości 2R do około 14 procent.

Takie fale są obserwowane na przykład w Jeziorze Genewskim, między Szwajcarią a Francją, gdy cieplejsza woda przy powierzchni leży nad chłodniejszą wodą w głębi. Opisane badania obejmowały zarówno lato, jak i jesień.

Uwięzione fale równikowe

W oceanie ciepła, lżejsza woda leży nad zimniejszą, gęstszą wodą. Między nimi znajduje się termoklina, o której już wspomnialiśmy. Fala może unosić i obniżać tę warstwę. Nazywamy ją falą wewnętrzną, ponieważ największe wychylenia zachodzą we wnętrzu oceanu. Powierzchnia oceanu również się zmienia, lecz znacznie mniej.

Na równiku nie ma lądu, ale rolę naturalnej granicy pełni sam równik. Gdy pokazany impuls porusza się na wschód, woda w jego ciepłej górnej warstwie również płynie na wschód. Na półkuli północnej obrót Ziemi spycha ten prąd w prawo (na południe, czyli ku równikowi), a na półkuli południowej – w lewo (na północ, czyli również ku równikowi). Woda gromadzi się w pasie wokół równika. Powstająca różnica ciśnienia popycha ją w przeciwną stronę i równoważy siłę Coriolisa. Dzięki temu fala nie rozprasza się na północ ani południe, lecz wędruje skupiona wzdłuż równika na wschód. Symbol Lₑ oznacza charakterystyczną szerokość tego pasa.

Jak korzystać z tego panelu rysunków?

Uruchom animację w górnym panelu i obserwuj, jak obniżenie termokliny przesuwa się na wschód. Pierwszy suwak ustawia czas działania wiatru: dłuższe wymuszenie daje dłuższy impuls. Drugi suwak reguluje tzw. grawitację zredukowaną – zależy ona od różnicy gęstości między ciepłą wodą przy powierzchni a chłodniejszą pod nią. Ponieważ ta różnica gęstości w oceanie jest mała, fala podwodna porusza się znacznie wolniej niż zwykła fala na powierzchni morza. Im większy kontrast gęstości między warstwami, tym szybciej fala wędruje na wschód. Zmiana parametrów rozpoczyna animację od nowa. Przycisk dotarcia do brzegu przenosi od razu do dolnego panelu.

W dolnym panelu równik znajduje się pośrodku, Meksyk i Kalifornia po lewej u góry, a Ameryka Południowa po prawej na dole. Fala zmienia kierunek i biegnie wzdłuż wybrzeży. Na półkuli północnej ma brzeg po prawej stronie ruchu, na południowej — po lewej. Przy wschodnim brzegu Pacyfiku obie gałęzie oddalają się więc od równika.

Jak oceaniczna fala Kelvina wpływa na atmosferę?

Podczas przechodzenia grzbietu poziom wody przy brzegu rośnie, a podczas przechodzenia doliny opada. W pokazanym impulsie powierzchnia się podnosi, a termoklina obniża. Gdy termoklina się obniża, ciepła warstwa staje się grubsza, a zimna woda znajduje się głębiej. Mieszanie wywołane przez wiatr dostarcza wtedy mniej zimnej wody do powierzchni, więc słabiej ją chłodzi.

Cieplejsza powierzchnia morza oddaje ciepło i wilgoć powietrzu nad wybrzeżem. W ten sposób zmiany w oceanie wpływają na atmosferę w rejonie Kalifornii. Wobec tego o przebiegu pogody współdecydują wiatr, chmury i cyrkulacja atmosferyczna, ale także wielkoskalowy przepływ w oceanie, w tym między innymi fale Kelvina.

Gdy wiatr na równiku zmienia kierunek

Silny wiatr z zachodu, towarzyszący chmurom burzowym, nasila parowanie i mieszanie wody, a chmury ograniczają dopływ słońca. Powierzchnia oceanu się ochładza. Dalej na wschód słabszy wiatr pozwala wodzie się ogrzewać, co sprzyja rozwojowi kolejnych chmur. Ten mechanizm wzajemnego oddziaływania oceanu i atmosfery nazwaliśmy w 1997 roku ASCII (Flatau i współautorzy, 1997).

Ochłodzenie na miejscu, zmiana w głębi daleko na wschodzie

Poryw wiatru zachodniego lub seria takich porywów może wzbudzić oceaniczną falę Kelvina. Przemieszcza ona na wschód obniżenie termokliny — strefy, w której temperatura wody szybko spada z głębokością. Chłodna woda znajduje się wówczas dalej od powierzchni i słabiej ją ochładza. Dlatego lokalnemu ochłodzeniu pod silnym wiatrem może towarzyszyć późniejsze ocieplenie oceanu dalej na wschód.

Zmiana temperatury powierzchni wpływa z kolei na wiatr, który może wzmacniać odpowiedź oceanu. Taki proces sprzyja rozwojowi El Niño, ale pojedynczy epizod wiatru nie przesądza o jego wystąpieniu (badania odpowiedzi oceanu; przebieg El Niño 1997–1998).

O El Niño i falach Kelvina

El Niño oznacza ocieplenie powierzchni środkowego i wschodniego równikowego Pacyfiku, powiązane ze zmianą wiatrów. W tym obszarze cieplejszej wodzie często towarzyszy wyższy niż zwykle poziom morza. Ogrzewana woda rozszerza się, ale znaczenie ma również jej rozmieszczenie: wiatr i prądy zmieniają grubość ciepłej warstwy. Podwyższona powierzchnia morza może więc wskazywać na zmiany zachodzące także w głębi, a nie tylko na ogrzanie cienkiej warstwy na wierzchu (wyjaśnienie NASA).

Fale Kelvina pomagają przenosić takie zmiany na wschód. Fali pogłębiającej termoklinę towarzyszy podniesienie poziomu morza. Chłodniejsza woda znajduje się wtedy głębiej i słabiej ochładza powierzchnię, co sprzyja rozwojowi El Niño. Podczas La Niña w środkowej i wschodniej części równikowego Pacyfiku częściej obserwujemy układ przeciwny: chłodniejszą powierzchnię, płytszą termoklinę i niższy poziom morza. Nie oznacza to obniżenia poziomu całego Pacyfiku — ciepła woda może być silniej skupiona na zachodzie (badania zmian oceanu podczas El Niño).

Na ilustracji porównano listopad 2023 roku, podczas El Niño, z listopadem 2022 roku, podczas La Niña. W 2023 roku wzdłuż równika w środkowym i wschodnim Pacyfiku widać ciepły pas wody, któremu towarzyszy podwyższony poziom morza. Rok wcześniej powierzchnia była tam chłodniejsza, a wyższy poziom morza wyraźniej zaznaczał się na zachodzie. Nie są to dokładnie przeciwne obrazy: w 2022 roku poziom morza nie wszędzie spadał poniżej historycznej średniej. Na mapy nakładają się również inne zmiany oceanu, w tym jego długotrwałe ocieplenie i wzrost poziomu morza. Dwa miesięczne obrazy pokazują kontrast między fazami El Niño i La Niña, ale nie pozwalają prześledzić ruchu pojedynczej fali Kelvina.