Jak działają prądy morskie? Rodzaje i powstawanie

Prądy morskie to poziome przepływy wody, które przenoszą na duże odległości samą wodę razem z jej ciepłem i solą. Przy powierzchni napędza je głównie stały wiatr, a w głębinach różnica gęstości między wodą zimną i słoną a cieplejszą. Dlatego ten sam ocean jedno wybrzeże ogrzewa, a inne wysusza. Port w Murmańsku za kołem podbiegunowym nie zamarza zimą, a pustynia Namib nad samym oceanem żyje z mgły.

Czym są prądy morskie i jakie typy wyróżnia się według genezy?

Prąd morski to zorganizowany, poziomy przepływ wody w określonym kierunku, odbywający się w otoczeniu wód pozostających we względnym bezruchu. Od falowania odróżnia go jedno kryterium: w prądzie sama masa wody przemieszcza się na duże odległości. W fali cząstki wody zataczają koła niemal w miejscu i wracają do punktu wyjścia. Fala przenosi więc energię, a prąd przenosi wodę razem z jej ciepłem i solą.

Według przyczyny powstania wyróżnia się trzy grupy prądów:

• Prądy wiatrowe – powstają z tarcia wiatru o wodę; stałe wiatry dają prąd dryfowy.
• Prądy grawitacyjno-gradientowe – wynikają z nachylenia powierzchni morza lub z różnic gęstości; należą do nich prądy barogradientowe, spływowe, kompensacyjne i gęstościowe.
• Prądy pływowe – towarzyszą przypływom i odpływom, okresowo zmieniając kierunek i prędkość.

Wielkie prądy rzadko mają jedną przyczynę. Prąd Zatokowy jest jednocześnie prądem dryfowym, gęstościowym i spływowym.

Wiatr to główna siła, która wprawia ocean w ruch

Główną przyczyną prądów powierzchniowych jest tarcie poruszającego się powietrza o powierzchnię wody, wzmocnione naporem wiatru na dowietrzne zbocza fal. Wiatr przekazuje pęd wierzchniej warstwie wody. Każda kolejna warstwa dostaje mniej energii, więc ruch słabnie z głębokością. Prądy dryfowe obejmują zwykle warstwę od kilkudziesięciu do około 200 m. Cała cyrkulacja wiatrowa sięga zwykle kilkuset metrów.

Trwały prąd wiatrowy powstaje tylko tam, gdzie wiatr wieje stale z jednego kierunku. Takie warunki dają pasaty w strefie międzyzwrotnikowej oraz wiatry zachodnie w szerokościach umiarkowanych.

Ocean reaguje przy tym z dużym opóźnieniem. Przy wietrze 15–17 m/s wiejącym bez zmiany kierunku prąd na powierzchni stabilizuje się po około dobie. Na głębokości 100 m ta sama stabilizacja następuje dopiero po mniej więcej 50 dobach. Czy jeden sztorm może zatem odwrócić wielki prąd? Nie, bo kilkudniowa zmiana pogody porusza tylko cienką warstwę wierzchnią.

Z tego opóźnienia wynika zasada porządkująca całą mapę oceanów: układ prądów powierzchniowych odwzorowuje układ stałych wiatrów na Ziemi. Pasaty pchają wodę wzdłuż równika na zachód, a wiatry zachodnie niosą ją przez oceany na wschód.

Dlaczego prąd odchyla się od kierunku wiatru?

Woda nie płynie dokładnie z wiatrem, bo na każdą poruszającą się masę działa siła Coriolisa, wynikająca z obrotu Ziemi. Odchyla ona ruch w prawo na półkuli północnej, a w lewo na południowej. Na powierzchni równowaga tarcia wiatru i tej siły daje prąd skierowany pod kątem około 45° do wiatru. Taki wynik dał model, który szwedzki oceanograf Vagn Walfrid Ekman opracował w 1902 roku dla jednorodnego oceanu.

Głębsze warstwy powtarzają ten mechanizm z opóźnieniem. Każdą napędza warstwa leżąca wyżej, więc skręca ona jeszcze bardziej i płynie wolniej. W efekcie wektory prędkości układają się w spiralę Ekmana. Na głębokości tarcia woda płynie już przeciwnie niż na powierzchni, z prędkością około 1/23 prędkości powierzchniowej.

Suma ruchu całej warstwy, czyli transport Ekmana, odbywa się pod kątem 90° do kierunku wiatru. W rzeczywistym oceanie kąt powierzchniowy bywa mniejszy od teoretycznego, ale strona odchylenia się nie zmienia.

Jak działają prądy głębinowe? Gęstość wody i taśmociąg termohalinowy

Tam, dokąd wiatr nie sięga, wodę porusza różnica gęstości: woda zimna i słona jest cięższa, więc opada i wypycha masy leżące niżej. Gęstość rośnie przy ochładzaniu, a także przy wzroście zasolenia, na przykład gdy zamarza morze i lód zostawia sól w wodzie pod sobą. Ten napęd nazywa się cyrkulacją termohalinową.

Opadanie zachodzi tylko w kilku rejonach o bardzo zimnej wodzie: na północnym Atlantyku między Grenlandią, Labradorem a Norwegią oraz przy Antarktydzie, zwłaszcza na Morzach Weddella i Rossa. Zatopiona woda rozpływa się po dnie wszystkich oceanów i powoli wraca ku powierzchni. Pełny obieg tego taśmociągu trwa rzędu tysiąca lat.

Według głębokości wyróżnia się cztery piętra prądów:

• Powierzchniowe – napędzane głównie wiatrem.
• Podpowierzchniowe – jak Prąd Łomonosowa, płynący na wschód pod równikowymi prądami Atlantyku.
• Głębinowe – powolne przepływy wód termohalinowych.
• Przydenne – najgęstsze wody spływające po dnie basenów oceanicznych.

Łączenie się prądów w zamknięte układy

Prądy powierzchniowe składają się w pięć zamkniętych kręgów cyrkulacyjnych w strefie podzwrotnikowej: północno- i południowoatlantycki, północno- i południowopacyficzny oraz południowoindyjski. Każdy krąg zaczyna się przy równiku, gdzie pasaty pchają na zachód Prąd Północnorównikowy albo Prąd Południoworównikowy. Woda, która napotka ląd, skręca ku biegunowi wzdłuż wschodniego wybrzeża kontynentu jako prąd ciepły. W szerokościach umiarkowanych wiatry zachodnie niosą ją przez ocean. Przy zachodnim wybrzeżu kolejnego kontynentu woda spływa ku równikowi już jako prąd zimny.

Kierunek obrotu wynika z siły Coriolisa i rozkładu lądów: na półkuli północnej kręgi krążą zgodnie z ruchem wskazówek zegara, na południowej przeciwnie. Siła Coriolisa rośnie ku biegunom, przez co obieg spiętrza się przy zachodnich brzegach oceanów. Tę zachodnią intensyfikację widać w prędkościach. Zachodnie prądy brzegowe mają około 100 km szerokości i płyną do około 2 m/s. Wschodnie prądy brzegowe są szerokie i powolne.

Ciepłe i zimne prądy są więc dwiema stronami tego samego obiegu.

Jak opisuje się kierunek, prędkość i stałość prądu morskiego?

Kierunek prądu podaje się według strony świata, w którą prąd płynie, a kierunek wiatru według strony, z której wieje. Ta odwrotna konwencja jest częstym źródłem pomyłek przy czytaniu map i rozwiązywaniu zadań. Prąd północny płynie zatem na północ, a wiatr północny wieje z północy.

Prędkość wyraża się w węzłach: jeden węzeł to jedna mila morska na godzinę, czyli 1,852 km/h, około 0,5 m/s. Prądy wiatrowe płyną przeciętnie z prędkością 0,2–0,8 węzła. Najszybsze, jak Golfsztrom, osiągają około 2 m/s, czyli blisko 4 węzłów.

Według stałości wyróżnia się trzy rodzaje prądów:

• Stałe – zachowują kierunek i prędkość z roku na rok; należą do nich prądy kręgów cyrkulacyjnych.
• Okresowe – zmieniają się w powtarzalnym rytmie: pływowe w dobowym lub półdobowym, monsunowe w rytmie pór roku.
• Chwilowe – krótkotrwałe, wywołane na przykład sztormem, zanikają wraz z przyczyną.

Ciepły czy zimny – co decyduje o rodzaju prądu?

O rodzaju prądu decyduje różnica względem temperatury wód otaczających, a nie temperatura w stopniach. Prąd ciepły niesie wodę cieplejszą od akwenu, na który wkracza, a zimny – chłodniejszą. Prąd obojętny ma temperaturę zbliżoną do otoczenia i nie zmienia warunków termicznych akwenu.

Dwa przypadki pokazują, że sama liczba stopni może mylić. Trzeci pokazuje, że rodzaj prądu może się zmieniać z porą roku.

• Zachodniogrenlandzki kontra Kanaryjski – ciepły Prąd Zachodniogrenlandzki niesie wodę o temperaturze kilku stopni, a zimny Prąd Kanaryjski ma kilkanaście stopni i więcej.
• Norweski kontra Benguelski – ciepły Prąd Norweski ma zimą zwykle poniżej 10°C, według pomiarów średnio około 3,5°C. Zimny Prąd Benguelski bywa od niego wyraźnie cieplejszy.
• Somalijski – ten sam prąd jest latem zimny, z wodą o temperaturze 13–14°C przy 2°N, a zimą ciepły, z temperaturą 25,5–26,5°C.

Kryterium działa na każdej mapie: wystarczy porównać wodę prądu z wodą, przez którą prąd płynie.

Jak ciepłe prądy ocieplają i nawilżają klimat wybrzeży?

Ciepły prąd ogrzewa ląd pośrednio, przez powietrze. Woda oddaje ciepło dolnej warstwie atmosfery i intensywnie paruje, więc powietrze nad prądem jest cieplejsze i wilgotniejsze niż nad sąsiednim morzem. Ogrzane od spodu powietrze unosi się w ruchu konwekcyjnym, ochładza się z wysokością, a para wodna skrapla się w chmury. Wiatry od morza niosą je nad ląd, na przykład nad wybrzeża Japonii omywane przez Kuro Siwo.

Bez wiatru ten mechanizm kończyłby się nad wodą. Według badania Seagera i współautorów to wiatry południowo-zachodnie przynoszą do Europy ciepłe powietrze morskie. Ciepło oceanu dociera w głąb lądu właśnie tą drogą.

Skutek widać w anomalii termicznej, czyli odchyleniu temperatury od średniej dla danej szerokości geograficznej. Na Lofotach, omywanych przez Prąd Norweski, średnia temperatura stycznia jest bliska 0°C. W Wierchojańsku, na podobnej szerokości spada poniżej –40°C. Port w Murmańsku, leżący za kołem podbiegunowym, nie zamarza przez całą zimę.

Zimne prądy i nadbrzeżne pustynie

Do powstania pustyni nad samym oceanem przyczynia się zimny prąd, który blokuje unoszenie się powietrza od dołu. Woda chłodzi dolną warstwę atmosfery. Chłodne powietrze, cięższe od cieplejszego nad nim, zostaje przy powierzchni. Taki układ to inwersja temperatury: pod nią nie rozwija się konwekcja ani chmury deszczowe. Wilgoć skrapla się tuż nad ziemią i napływa na ląd jako mgła adwekcyjna.

Czy to więc sam prąd wysusza wybrzeże? Tylko częściowo: osiadanie powietrza w wyżu podzwrotnikowym hamuje wznoszenie od góry, a zimna woda wzmacnia inwersję od dołu. Prąd nie wywołuje osiadania, ale odbiera wilgotnemu powietrzu możliwość wzniesienia się.

Mgła znad Prądu Benguelskiego staje się wtedy głównym źródłem wody na Namibie. Pomiary mgieł na Namibie prowadzono w Gobabeb w latach 1966–2022. W latach El Niño ostatniej dekady wykazały one średnio 116,6 ± 28,9 mm wody z mgły rocznie. Opad deszczu w dolnym dorzeczu rzeki Kuiseb wynosił w tych latach tylko 10,4 ± 5,5 mm. Podczas kampanii pomiarowej NaFoLiCA we wrześniu 2017 roku stacja Vogelfederberg zarejestrowała 18 zdarzeń mgielnych. Każde dało średnio 2,6 mm opadu z mgły. Ten sam mechanizm działa w Atakamie, gdzie mgłę znad Prądu Peruwiańskiego nazywa się camanchaca.

Zimna woda z głębin i najbogatsze łowiska świata

Upwelling to wynoszenie zimnej wody z głębin ku powierzchni, najsilniejsze przy brzegach. Gdy wiatr wiejący wzdłuż wybrzeża kieruje transport Ekmana ku morzu, woda powierzchniowa odsuwa się od lądu, a na jej miejsce wypływa woda z głębszych warstw. Ta woda niesie azotany i fosforany, których brakuje w nasłonecznionej warstwie. Składniki odżywcze karmią fitoplankton, nim żywi się zooplankton, a zooplanktonem – ławice ryb.

Cztery główne strefy upwellingu leżą przy zachodnich wybrzeżach kontynentów, gdzie transport Ekmana ku morzu kieruje wiatr wiejący ku równikowi.

• Peru i Chile – Prąd Peruwiański, przy którym leżą największe na świecie łowiska sardeli.
• Namibia i RPA – Prąd Benguelski.
• Afryka Północno-Zachodnia – Prąd Kanaryjski.
• Kalifornia – Prąd Kalifornijski.

Łowiska stref upwellingu przybrzeżnego dają połowy prawie 100 razy wyższe od średniej światowej. Zajmują przy tym tylko drobny ułamek oceanu. Przypada na nie ponad 20% światowych połowów ryb morskich. Zimny prąd bywa więc ubogi dla lądu, ale żyzny dla morza.

Najważniejsze ciepłe prądy morskie na świecie

Ciepłe prądy płyną jako zachodnie odnogi kręgów cyrkulacji. Na południowym Atlantyku Prąd Brazylijski niesie ciepłą wodę wzdłuż wybrzeży Brazylii ku Argentynie. Na Pacyfiku Kuro Siwo płynie na północ wzdłuż Tajwanu i wschodnich brzegów Japonii, a Prąd Wschodnioaustralijski na południe wzdłuż wschodniej Australii. Na Oceanie Indyjskim Prąd Agulhas spływa wzdłuż południowo-wschodniego wybrzeża Afryki, od Mozambiku po Przylądek Igielny.

Każdy z tych prądów ogrzewa i nawilża powietrze nad wybrzeżem, które omywa. Wyjątkiem od wzoru jest Prąd Północnoatlantycki, który przecina ocean i dociera do zachodniej Europy.

Do tej grupy należy też Golfsztrom, czyli Prąd Zatokowy. W Cieśninie Florydzkiej jego woda ma przy powierzchni średnio co najmniej 24°C zimą i często 29°C latem i jesienią.

Zimne prądy są wschodnimi odnogami kręgów cyrkulacji albo spływają z obszarów polarnych. Pięć z nich kształtuje warunki na najczęściej omawianych wybrzeżach.

• Labradorski – spływa z Arktyki wzdłuż Labradoru i Nowej Fundlandii, niosąc góry lodowe na szlaki północnego Atlantyku.
• Kanaryjski – płynie wzdłuż północno-zachodniej Afryki, chłodząc wybrzeże Sahary i Wyspy Kanaryjskie.
• Benguelski – płynie na północ wzdłuż wybrzeży RPA i Namibii.
• Peruwiański (Humboldta) – płynie na północ wzdłuż Chile i Peru, ochładzając wybrzeże Atakamy.
• Oja Siwo – spływa z Morza Ochockiego wzdłuż Kuryli i północno-wschodniej Japonii, gdzie spotyka Kuro Siwo.

Największym prądem świata jest Antarktyczny Prąd Okołobiegunowy, zwany Prądem Wiatrów Zachodnich, który okrąża Antarktydę bez przeszkód lądowych. Ma szerokość do około 2000 km i sięga ponad 3000 m w głąb. W odróżnieniu od innych dużych prądów miejscami dochodzi aż do dna. Ten pierścień zimnej wody oddziela Antarktydę od cieplejszych wód podzwrotnikowych.

Golfsztrom a AMOC – co wiadomo o ich osłabieniu?

Zatrzymanie Golfsztromu i osłabienie AMOC to dwa różne zjawiska. Golfsztrom to zachodnia odnoga północnoatlantyckiego kręgu, napędzana głównie wiatrem. AMOC, czyli atlantycka południkowa cyrkulacja wymienna, jest częścią taśmociągu termohalinowego: górą niesie ciepłą wodę na północ, a głębiną zimną na południe.

Rola oceanu w łagodnych zimach Europy jest mniejsza, niż się zwykle zakłada. Transport ciepła przez ocean daje tylko niewielkie ocieplenie całego basenu. Różnica między Europą a Ameryką Północną wynika w połowie z ciepła zmagazynowanego latem w oceanie, a w drugiej połowie z fal stacjonarnych w przepływie atmosferycznym.

Czy AMOC już słabnie? Odpowiedź wymaga oddzielenia pewnego od spornego. Ocena IPCC dotycząca AMOC uznaje za bardzo prawdopodobne osłabienie AMOC w XXI wieku. Dotyczy to wszystkich scenariuszy SSP. Ze średnią pewnością osłabienie to nie przyjmie formy nagłego załamania przed 2100 rokiem. Pewność co do zmian AMOC w XX wieku, zrekonstruowanych i modelowanych, IPCC określa jako niską. Osobno, ze średnią pewnością, ocenia, że Golfsztrom i Przepływ Indonezyjski osłabną wraz ze zmianami wiatrów przy powierzchni.

Ocean Indyjski – prądy, które zmieniają kierunek z monsunem

Na północnym Oceanie Indyjskim prądy odwracają się dwa razy w roku razem z wiatrem. Od północy ocean zamyka ląd Azji, który latem silnie się nagrzewa, a zimą wychładza, więc monsun zmienia kierunek na niemal przeciwny. Stały krąg, typowy dla Atlantyku i Pacyfiku, nie może się tu utrzymać.

Dwa układy prądów zastępują się co pół roku.

• Lato (monsun letni, czerwiec–wrzesień) – wiatr wieje z południowego zachodu. W efekcie Prąd Somalijski płynie wzdłuż Afryki na północny wschód jako silny prąd zimny. Prąd Monsunowy niesie wtedy wodę na wschód, z Morza Arabskiego ku Sumatrze.
• Zima (monsun zimowy) – wiatr wieje z północnego wschodu znad Azji. W efekcie Prąd Somalijski odwraca się na południe i słabnie. Przepływ monsunowy kieruje się na zachód. Przy równiku pojawia się wtedy Równikowy Prąd Wsteczny płynący na wschód.

Południowa część oceanu działa jak pozostałe oceany. Prąd Południoworównikowy, Prąd Agulhas, Prąd Wiatrów Zachodnich i Prąd Zachodnioaustralijski tworzą krąg czynny przez cały rok.

El Niño – co się dzieje, gdy słabną pasaty nad Pacyfikiem?

El Niño w ujęciu NOAA to wielkoskalowe osłabienie pasatów. Towarzyszy mu ocieplenie warstw powierzchniowych we wschodnim i środkowym Pacyfiku równikowym. Zwykle pasaty spychają ciepłą wodę na zachód, ku Indonezji. U brzegów Peru upwelling zasila zimny Prąd Peruwiański. Gdy pasaty słabną, ciepła woda cofa się na wschód i przykrywa wybrzeże Ameryki Południowej. Upwelling wynosi wtedy wodę ciepłą i ubogą w składniki odżywcze, więc fitoplankton zanika, a za nim ryby.

Sprzężenie działa w obie strony. Kryteria El Niño według NOAA wymagają, by atmosfera odpowiedziała na ocieplenie wody osłabieniem pasatów. Słabsze pasaty z kolei pozwalają wodzie ogrzać się jeszcze bardziej.

Epizody występują nieregularnie co 2–7 lat, średnio mniej więcej raz na 3–4 lata, i trwają zwykle około roku. Po silnym epizodzie z lat 1972–1973 załamały się połowy sardeli peruwiańskiej. La Niña to faza odwrotna: pasaty się wzmagają, a upwelling u Peru przybiera na sile. Odległe skutki, jak susze w Indonezji i Australii, są zależnościami statystycznymi, a nie pewnymi następstwami. Dla pogody w Europie związek z El Niño jest słaby i niejednoznaczny.