Nauka o Ziemi

Cele lekcji

• Opisać, jak tworzą się prądy powierzchniowe i jak wpływają na klimat świata.
• Opisać przyczyny prądów głębinowych.
• Odnieść obszary upwelling do ich wpływu na łańcuch pokarmowy.

Prądy powierzchniowe

Wiatr, który wieje nad wodą oceaniczną tworzy fale. Tworzy on również prądy powierzchniowe, które są poziomymi strumieniami wody, mogącymi płynąć przez tysiące kilometrów i osiągać głębokość setek metrów. Prądy powierzchniowe są ważnym czynnikiem w oceanie, ponieważ są głównym czynnikiem w określaniu klimatu na całym świecie.

Przyczyny powstawania prądów powierzchniowych

Prądy na powierzchni są determinowane przez trzy główne czynniki: główne ogólne globalne wzorce wiatru, ruch obrotowy Ziemi i kształt basenów oceanicznych.

Gdy dmuchasz na kubek z gorącą czekoladą, tworzysz na jego powierzchni drobne fale, które kontynuują ruch po tym, jak przestajesz dmuchać. Fale w filiżance są maleńkimi falami, tak jak fale, które wiatr tworzy na powierzchni oceanu. Ruch gorącej czekolady w filiżance tworzy strumień lub prąd, tak jak porusza się woda w oceanie, gdy wieje wiatr.

Ale co sprawia, że wiatr zaczyna wiać? Kiedy promienie słoneczne ogrzewają powietrze, rozszerza się ono, co oznacza, że zmniejsza się jego gęstość i staje się ono lżejsze. Podobnie jak w balonie, lekkie ciepłe powietrze unosi się do góry, pozostawiając niewielką próżnię poniżej, która wciąga chłodniejsze, gęstsze powietrze z boków. Chłodniejsze powietrze napływające do przestrzeni pozostawionej przez ciepłe powietrze to wiatr.

Ponieważ równik Ziemi jest ogrzewany przez najbardziej bezpośrednie promienie Słońca, powietrze na równiku jest gorętsze niż powietrze dalej na północ lub południe. To gorętsze powietrze unosi się na równiku, a gdy zimniejsze powietrze zajmuje jego miejsce, zaczynają wiać wiatry, które popychają ocean w fale i prądy.

Wiatr nie jest jedynym czynnikiem, który wpływa na prądy oceaniczne. Efekt Coriolisa” opisuje, w jaki sposób ruch obrotowy Ziemi kieruje wiatrami i prądami powierzchniowymi (Rysunek 14.14). Ziemia jest kulą, która obraca się wokół własnej osi w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, patrząc z bieguna północnego. Im bardziej oddalamy się od równika w kierunku jednego z biegunów, tym mniejsza jest odległość wokół Ziemi. Oznacza to, że obiekty znajdujące się na równiku poruszają się szybciej niż obiekty znajdujące się dalej od równika. Podczas gdy wiatr lub prąd oceaniczny porusza się, Ziemia obraca się pod nim. W rezultacie obiekt poruszający się na północ lub południe wzdłuż Ziemi będzie wydawał się poruszać po łuku, a nie po linii prostej. Wiatr lub woda, które zmierzają w kierunku biegunów od równika, są odchylane na wschód, natomiast wiatr lub woda, które zmierzają w kierunku równika od biegunów, są zakrzywiane na zachód. Efekt Coriolisa zakrzywia kierunek prądów powierzchniowych.

Trzecim ważnym czynnikiem, który określa kierunek prądów powierzchniowych, jest kształt basenów oceanicznych (rysunek 14.15). Kiedy prąd powierzchniowy zderza się z lądem, zmienia kierunek prądów. Wyobraź sobie, że popychasz wodę w wannie w kierunku jej końca. Kiedy woda dociera do krawędzi, musi zmienić kierunek.

Wpływ na globalny klimat

Prądy powierzchniowe odgrywają dużą rolę w określaniu klimatu. Prądy te przynoszą ciepłą wodę z równika do chłodniejszych części oceanu; przenoszą energię cieplną. Weźmy jako przykład Prąd Zatokowy; Prąd Zatokowy w Północnym Oceanie Atlantyckim można znaleźć na Rysunku 14.15. Prąd Zatokowy to prąd oceaniczny, który transportuje ciepłą wodę z równika obok wschodniego wybrzeża Ameryki Północnej i przez Atlantyk do Europy. Objętość transportowanej wody jest ponad 25 razy większa niż objętość wszystkich rzek na świecie razem wziętych, a energia, którą przenosi jest ponad 100 razy większa niż światowe zapotrzebowanie na energię. Ma on około 160 kilometrów szerokości i około kilometra głębokości. Ciepłe wody Prądu Zatokowego sprawiają, że w Europie panuje znacznie cieplejszy klimat niż w innych miejscach na tej samej szerokości geograficznej. Gdyby Prąd Zatokowy został poważnie zakłócony, temperatury w Europie gwałtownie by spadły.

Prądy głębinowe

Prądy powierzchniowe występują blisko powierzchni oceanu i wpływają głównie na strefę fotyczną. W głębi oceanu istnieją równie ważne prądy, które nazywane są prądami głębinowymi. Prądy te nie są tworzone przez wiatr, lecz przez różnice w gęstości mas wody. Gęstość to ilość masy w danej objętości. Na przykład, jeśli weźmiemy dwie pełne litrowe butelki z płynem, jedna z nich może ważyć więcej, to znaczy mieć większą masę niż druga. Ponieważ obie butelki mają taką samą objętość, ciecz w cięższej butelce jest gęstsza. Jeśli zestawisz te dwie ciecze razem, ta o większej gęstości zatonie, a ta o mniejszej gęstości uniesie się.

Dwa główne czynniki decydują o gęstości wody oceanicznej: zasolenie (ilość soli rozpuszczonej w wodzie) i temperatura (rysunek 14.16). Im więcej soli jest rozpuszczonej w wodzie, tym większa będzie jej gęstość. Temperatura również wpływa na gęstość: im zimniejsza temperatura, tym większa gęstość. Dzieje się tak dlatego, że temperatura wpływa na objętość, ale nie na masę. Zimniejsza woda zajmuje mniej miejsca niż cieplejsza (chyba że zamarznie). Zatem zimna woda ma większą gęstość niż ciepła.

Masywy wody o większej gęstości będą opadać w kierunku dna oceanu. Podobnie jak konwekcja w powietrzu, kiedy gęstsza woda tonie, jej przestrzeń jest wypełniana przez mniej gęstą wodę przemieszczającą się w głąb. W ten sposób powstają prądy konwekcyjne, które przemieszczają ogromne ilości wody w głębinach oceanu. Dlaczego w niektórych miejscach temperatura wody jest niższa? Woda ochładza się, gdy przemieszcza się od równika do biegunów za pośrednictwem prądów powierzchniowych. Chłodniejsza woda ma większą gęstość, więc zaczyna tonąć. W rezultacie prądy powierzchniowe i prądy głębinowe są ze sobą powiązane. Wiatr powoduje, że prądy powierzchniowe transportują wodę wokół oceanów, podczas gdy różnice gęstości powodują, że prądy głębinowe zawracają tę wodę z powrotem dookoła globu (Rysunek 14.17).

Upwelling

Jak widzieliście, woda o większej gęstości zwykle opada na dno. Jednak w odpowiednich warunkach proces ten może zostać odwrócony. Gęstsza woda z głębin oceanu może wypłynąć na powierzchnię w procesie upwellingu (rysunek 14.18). Zazwyczaj upwelling występuje wzdłuż wybrzeża, kiedy wiatr silnie wieje wodę od brzegu. W miarę jak woda powierzchniowa jest odrywana od brzegu, na jej miejsce wypływa zimniejsza woda z głębi lądu. Jest to ważny proces w miejscach takich jak Kalifornia, Ameryka Południowa, Afryka Południowa i Morze Arabskie, ponieważ składniki odżywcze przyniesione z głębin oceanu wspierają wzrost planktonu, który z kolei wspiera innych członków ekosystemu. Upwelling ma również miejsce wzdłuż równika pomiędzy Północnym i Południowym Prądem Równikowym.

Podsumowanie lekcji

• Fale oceaniczne to energia przemieszczająca się przez wodę.
• Najwyższa część fali to grzbiet, a najniższa to koryto.
• Pozioma odległość między dwoma grzbietami fali to długość fali.
• Większość fal w oceanie to fale generowane przez wiatr.
• Prądy powierzchniowe w oceanie są produkowane przez główne ogólne wzorce cyrkulacji atmosferycznej, efekt Coriolisa i kształt każdego basenu oceanicznego.
• Ocean surface circulation przynosi ciepłe wody równikowe w kierunku biegunów i chłodniejsze wody polarne w kierunku równika.
• Deep ocean circulation jest gęstość napędzany cyrkulacji produkowane przez różnice w zasoleniu i temperaturze mas wody.
• Upwelling obszary są biologicznie ważne obszary, które tworzą się jak wody powierzchniowe oceanu są zdmuchiwane od brzegu, powodując zimne, bogate w składniki odżywcze wody do podniesienia się do powierzchni.

Pytania sprawdzające

1. Jakie czynniki wiatru decydują o wielkości fali?
2. Zdefiniuj grzbiet i koryto fali.
3. Co jest najważniejszą przyczyną prądów powierzchniowych w oceanie?
4. Jak prądy powierzchniowe oceanu wpływają na klimat?
5. Co to jest efekt Coriolisa?
6. Niektórzy naukowcy wysunęli hipotezę, że jeśli stopi się wystarczająco dużo lodu na Grenlandii, Prąd Zatokowy może zostać zamknięty. Bez Prądu Zatokowego, który przynosi ciepłą wodę na północ, w Europie byłoby znacznie zimniej. Wyjaśnij, dlaczego topnienie lodu na Grenlandii może wpłynąć na Prąd Zatokowy.
7. Jaki proces może sprawić, że gęstsza woda wznosi się do góry?
8. Dlaczego obszary upwellingu są ważne dla życia morskiego?

Słownictwo

amplituda Pionowa wysokość fali, mierzona od koryta do szczytu. Efekt Coriolisa Pozorne odchylenie poruszającego się obiektu, takiego jak woda lub powietrze, spowodowane ruchem obrotowym Ziemi. crest Najwyższy punkt fali. deep current Prąd głębinowy Prąd w głębi oceanu, który porusza się z powodu różnic gęstości (spowodowanych różnicami temperatury i zasolenia wody). rip current Silny prąd powierzchniowy wody, która wraca do oceanu z brzegu. surface current Poziomy ruch wody oceanicznej, spowodowany wiatrami powierzchniowymi. trough Najniższy punkt fali. tsunami Sejsmiczna fala morska wytworzona przez pionowe ruchy dna oceanu pod wpływem podwodnego trzęsienia ziemi, podwodnego wybuchu wulkanu, osunięcia się ziemi lub uderzenia meteorytu. upwelling Zimna, bogata w składniki odżywcze woda, która podnosi się z głębi oceanu, zwykle w pobliżu kontynentów, gdy wiatr odrywa od nich powierzchnię lub wzdłuż równika. fala Zmiana kształtu wody spowodowana przez energię poruszającą się w wodzie. długość fali Pozioma odległość pomiędzy dwoma korytami lub dwoma grzbietami fali.