Dlaczego latem, woda nad Bałtykiem jest zimna?

Latem nad Bałtykiem bywa tak, że mimo pięknej słonecznej pogody trzeba być wyjątkowo zdeterminowanym, żeby wejść do wody. Nie dlatego, że woda brudna czy fala wysoka, ale dlatego, że woda jest lodowata, wykręca kostki i stawy tuż po wejściu i jakoś szybko odechciewa się kąpieli. Być może zdarzyło się Wam poczuć ten uścisk zimy w środku lata i zastanawialiście się skąd to się bierze? Przecież jeszcze wczoraj woda była cieplutka, a w TV mówili, że woda w Bałtyku ma już ponad 20 st. C? Od teraz już będzie wiedzieć - wszystkiemu winien jest upwelling. A co to takiego?

Upwelling przybrzeżny. Pyknoklina oznacza granicę zmiany gęstości wód, często związana jest ze zmianą temperatury (termoklina) lub zmianą zasolenia (haloklina) (fig. oceanmotion.org)

Termin upwelling jakoś nie doczekał się polskiego odpowiednika i stosuje się go w angielskiej pisowni w Polsce. Swego czasu proponowano nazwę prąd wznoszący, spotkałem się nawet z próbą pisowni fonetycznej "apłeling", ale zdaje się, że żadna z tych propozycji nie przyjęła się na stałe. Pozostał upwelling, który oznacza wynoszenie zimnych wód dennych na powierzchnię zbiornika. Jego przeciwieństwem jest downwelling, który powoduje spływ wód powierzchniowych w stronę dna, czyli prąd opadający.

Downwelling przybrzeżny (fig. oceanmotion.org)

Oba prądy mogą występować w dowolnych zbiornikach wodnych, ale dla ludzkości i nauki, największe znaczenia mają oceaniczne systemy upwellingu/downwellingu. Wyróżnia się w nich generalnie dwa typy tych pionowych ruchów wody - upwelling równikowy i przybrzeżny.

Zaczynając górnolotnie, można stwierdzić, że wszystko powodowane jest przez ruch obrotowy Ziemi wokół własnej osi. Ziemia, jak wiadomo, obraca się z zachodu na wschód, co m.in. powoduje powstanie komórek wirowych powietrza, które przy okazji napędzają ruch powierzchniowy wody. Ten efekt inercji w układzie obrotowym to tzw. efekt Coriolisa. Z nim związany jest upwelling.

Upwelling równikowy (fig. oceanmotion.org)

W przypadku upwellingu równikowego mamy do czynienia ze stykiem wielkich wirów oceanicznych na granicy półkuli północnej i południowej, obracających się w przeciwnych kierunkach, które wyciągają na powierzchnię głębokie wody oceaniczne w pobliżu równika. Jak się domyślacie, ten typ upwellingu nie występuje nad Bałtykiem.

UPWELLING NAD BAŁTYKIEM

Nad naszym morzem występuje upwelling przybrzeżny. Sprawa jest nieco bardziej złożona niż w przypadku upwellingu równikowego, bo przecież wybrzeża Bałtyku rozciągają się w różnych kierunkach. Żeby nastąpiło wyciąganie wody z dna przez prądy wznoszące, potrzebne są dodatkowe czynniki. Są nimi wiatry wiejące z różnych kierunków i tzw. transport Ekmana. Fajny termin, który można wykorzystać na plaży do wakacyjnego nawiązania znajomości z sąsiadkami z pobliskiego grajdołka. Sprawa jest tylko z pozoru skomplikowana i też jest związana z obrotem Ziemi.

Wiatr wiejący wzdłuż wybrzeża może powodować zjawisko upwellingu, zgodnie z przedstawionym schematem.  Tak właśnie dzieje się nad Bałtykiem.

Ekman wpadł ponad 100 lat temu na to, że wskutek efektu Coriolisa przypowierzchniowy ruch wody wywołany wiatrem, odchylany jest w prawo, patrząc zgodnie z kierunkiem wiatru. Takie odchylenie powoduje powstanie ruchu wirowego wody zwanego spiralą Ekmana.

Transport Ekmana - na środkowym obrazku widać wir cyklonalny ze skierowanym na zewnątrz kierunkiem transportu Ekmana. Powoduje to obniżania lustra wody w centrum komórki wirowej i powstanie upwellingu. Na prawym obrazku sytuacja odwrotna w wirze antycklonalnym i powstanie downwellingu (rys. Piere cb CC-SA)

Mówiąc inaczej, woda będzie spiętrzana po prawej stronie na zawietrznej (wiatr w plecy), a obniżana po lewej. Spiętrzanie wody powodować będzie jej tonięcie (downwelling), zaś obniżanie lustra wody, spowoduje wyciąganie wody z dna czyli upwelling. Jak to się ma do Bałtyku?

Rozkład temperatury wody na polskim wybrzeżu na przełomie września i października 2000 r.  (Piliczewski, 2002)

Nasze wybrzeże należy do dość wietrznych i wiatr bardzo często wieje wzdłuż wybrzeża. Jeśli wieją wiatry z zachodu, transport Ekmana będzie odchylał prądy powierzchniowe w prawo, czyli w przypadku polskiego wybrzeża, ku lądowi. Z kolei wiatry wschodnie odpychają wody powierzchniowe ku morzu i to generuje napływ zimnej wody dennej ku powierzchni.

Zatem, generalna zasada jest taka, że na polskim wybrzeżu Bałtyku zachodnie wiatry powodują napływ ciepłej, nagrzanej powierzchniowej wody do brzegu, zaś wiatry wschodnie generują powstawanie upwellingu i napływ zimnych wód dennych ku powierzchni.

Przykład upwellingu w rejonie Helu z przełomu kwietnia i maja 2000 r. Po lewej prędkość ruchu wody na głębokości 20 m, po prawej temperatura wody przypowierzchniowej (Kowalewski, 2005)

Zjawisko to jest dość częste i występuje w różnych rejonach nawet kilka razy do roku. Regionem, chyba najbardziej nawiedzanym przez upwelling w Polsce jest Półwysep Helski (tzn. jego wybrzeże od strony otwartego morza) , zaś stosunkowo rzadko upwelling występuje w rejonie Zatoki Pomorskiej i Łeby. Z szacunków wynika, że ponad 30% polskiej strefy brzegowej objęte jest zimnymi prądami wstępującymi. W niektórych przypadkach, różnica temperatury wody między brzegiem a otwartym morzem może dochodzić do ponad 14^oC (Piliczewski, 2002; Lehmann & Myrberg, 2008; Kozlov et al., 2012).

Przykład upwellingu z litewskiego wybrzeża. Po lewej zarejestrowana temperatura powierzchniowa wody, po prawej kierunek i siła wiatru. Jak widać, transport Ekmana przy północnym wietrze spowodował odpływ wody od brzegu i zassanie zimnej wody dennej. Różnica temperatur między wodą przybrzeżną a otwartego morza wyniosła grubo ponad 10 st. Celsjusza (Kozlov et al., 2012).

Źródła:
Fotografia w nagłówku: Mierzeja Helska - Szymon Nitka CC-BY

Kowalewski, M., 2005. The influence of the Hel upwelling (Baltic Sea) on the nutrient concentrations and primary production - the result of an ecohydrodynamic model. Oceanologia 47 (4):567-590.

Kozlov, I., Kudryavtsev, V., Johannessen, J., Chapron, B., Dailidienė, I., & Myasoedov, A. (2012). ASAR imaging for coastal upwelling in the Baltic Sea Advances in Space Research DOI: 10.1016/j.asr.2011.08.017

Lehmann, A., & Myrberg, K. (2008). Upwelling in the Baltic Sea — A review Journal of Marine Systems, 74 DOI: 10.1016/j.jmarsys.2008.02.010

Piliczewski, B., 2002. Temperatura wody. [W:] W. Krzymiński i in. (red). Warunki środowiskowe polskiej strefy południowego Bałtyku w 2000 roku. IMGW Oddział Gdynia. ISBN 83-88829-57-2

Czytaj więcej

Rdzewiejąca Ziemia raz jeszcze

Większość złóż rud żelaza wydobywanych na Ziemi powstała bardzo dawno. A nawet bardzo, bardzo dawno temu, w archaiku i proterozoiku, czyli na samym początku dziejów Ziemi. Najstarsze rudy liczą sobie aż 3.7 mld lat. Ich występowanie związane jest z pasiastymi osadami naprzemianległych warstw rudy (magnetytu lub hematytu) i osadów krzemionkowych okruszcowanych w niewielkim stopniu lub pozbawionych związków żelaza. Takie archaiczno-proterozoiczne pasiaki określa się mianem wstęgowych formacji żelazistych czyli Banded Iron Formation, w skrócie BIF.
Najmłodsze formacje pochodzą z końca proterozoiku i datowane są na ok. 0.7 mld lat temu. Z prostego rachunku wynika, że BIF-y tworzyły się przez 3 mld lat, czyli przez zdecydowaną większość dziejów Ziemi (Ziemia liczy ok. 4.5 mld lat). Wstęgowych rud żelaza powstało tak dużo, że nie grozi nam w najbliższym czasie ich brak. Jednocześnie rudy żelaza są jednymi z najtańszych rud na świecie. Dla zobrazowania ogromu depozycji BIF-ów można posłużyć się przykładem szwedzkiego złoża Kiruna, które eksploatowane od ponad 100 lat dało światu już prawie 1 miliard ton rudy.
BIF-y skrywają jednak pewną tajemnicę.

Czytaj więcej

Mata z tlenem

Rewolucja agrarna

Każdy kto choć trochę interesuje się geologią, wie, że spąg kambru wyznacza pojawienie się śladu penetracji osadu zwanego Treptichnus (Phycodes) pedum. Przełom proterozoiku i paleozoiku to okres tzw. rewolucji agrarnej czyli stopniowego zagospodarowywania i przekopywania osadów zgromadzonych na dnie morskim. Do rewolucji tej nie doszłoby gdyby nie pojawienie się dużych zwierząt (pierwsze wielokomórkowce tzw. Metazoa). Te jednak potrzebowały sporo tlenu do podtrzymywania wydajności energetycznej, potrzebnej choćby do poruszania się, nie wspominając o penetracji osadu na dnie. Tlenu, którego pod koniec proterozoiku (w ediacarze) było bardzo mało, ok. 10% obecnego stężenia. Ratunkiem i oazą dla tych zwierząt były miejsca na dnie obficie porosłe przez maty glonowe. Maty takie były w stanie wytwarzać lokalnie tyle tlenu ile potrzebne było zwierzętom do aktywności życiowej, donoszą na łamach Nature Geoscience Grotzinger i inni. Potwierdzeniem tej hipotezy są obserwacje współczesnych zbiorników morskich o wodach ubogich w tlen, których dna porastane są przez maty mikrobialne. Okazuje się, że w pobliżu takich mat stężenie tlenu jest 4-krotnie wyższe niż w kolumnie wody. Należy jednak pamiętać, że do dna morskiego musi docierać światło słoneczne umożliwiające fotosyntezę. Zatem zwierzątka musiały ograniczać swe nocne życie, oszczędzając tlen. Chcesz wiedzieć więcej, czytaj Nature Geoscience.

Czytaj więcej

SEPM Sequence Stratigraphy Web

Tytułowa strona www została stworzona i prowadzona przez Christophera Kendalla, emerytowanego już profesora University of South Carolina, twórcę programów do modelowania basenów STRATA i SEDPAK. Od pewnego czasu znajduje się jednak pod egidą SEPM (Society for Sedimentary Geology) i ostatnio można ją znaleźć pod adresem www.sepmstrata.org. Website należy zaliczyć do geologicznych klasyków internetu. Znaleźć tu można prawie wszystko co dotyczy sedymentologii (szczególnie węglanów) oraz stratygrafii sekwencji i modelowania basenów 2D i 3D (nie mylić z 4D). Mocną stroną są pouczające ilustracje i filmy z symulacjami zmian warunków sedymentacji. Jest też sporo ćwiczeń (wraz z rozwiązaniami) dla początkujących adeptów stratygrafii sekwencji. Można skorzystać także z dostępu do literatury w postaci plików PDF oraz prezentacji, filmów, materiałów konferencyjnych. Jedyne co mógłbym zarzucić tej stronie, to niezbyt czytelne poruszanie się po rozlicznych opcjach, w których gąszczu łatwo się zgubić. Czasem trzeba przeładować stronę, bo menu z lewej strony nie rozwija się do końca. Szkoda, bo włożono mnóstwo pracy w tę stronę i można było dołożyć parę godzin na dopracowanie tego menu. No i martwi brak bieżących aktualizacji. Notka aktualizacyjna w stopce strony podaje grudzień 2009 r. ale jak zauważyłem, to chyba nic ważnego nie przybyło od 5-6 lat. Ogólnie daję 9,9 pkt na 10 możliwych i polecam naturalnie każdemu.

Czytaj więcej