Транспорт Екмана

Блок 1. Резюме

Метою досліду є демонстрація процесу впливу вітру на циркуляцію, візуалізація шару Екмана та процесів  апвелінгу (підняття води з нижнього шару у верхній) та даунвелінгу (опускання води з верхнього шару в нижній).

Блок 2. Попередня інформація

Тертя, яке виникає під дією вітру на поверхні води, викликає рух верхніх шарів водойм. Дотична напруга збільшується по мірі наростання вітрового хвилювання завдяки додатковому тиску на тилову поверхню хвиль. Енергія руху передається через внутрішнє тертя пластам води, які залягають нижче, й вони теж починають брати участь у поступальному русі. Вплив вітру починає спадати з глибиною; досить швидко, приблизно за кілька десятків метрів залежно від сили вітру, він падає до нуля.

Цей поверхневий шар глибини, де вітрові напруги падають до нуля, називається шаром Екмана. Проте під дією сили Коріоліса течії поступово повертають із віддаленням від поверхні, утворюючи спіраль. Ця спіраль називається спіраллю Екмана; вона є наслідком дії сили Коріоліса, яка змушує рухомі об’єкти повертати вправо в Північній півкулі і вліво – у Південній півкулі. Отже, коли вітер діє на поверхню океану в Північній півкулі, поверхневі течії відхиляються вправо від напрямку вітру. Поверхневий шар води завдяки в’язкості приводить у рух нижчий шар, який теж відхиляється вправо, і так далі.

Рис. 1.1. (а) – Вагн Вальфрід Екман (1874 – 1954) шведський океанолог; (б) – модель спіралі Екмана описує структуру течій та вітрів поблизу поверхні, коли напрямок течії поступово відхиляється від первинного напрямку під дією обертання Землі з віддаленням від поверхні; (в) – транспорт Екмана:  утворення антициклонічного та циклонічного потоків

Відхилення, що спричиняють сили Коріоліса щодо атмосферних та океанічних течій, може бути дещо контрінтуїтивним і таким, що важко собі уявити. Вплив сили Коріоліса на океанські течії вперше було візначено під час спостережень Фрітьофа Нансена. Він розробив судно для конкретної мети – заморозити його в арктичний лід і дати йому можливість дрейфувати з льодом протягом року. У 1893 році він розмістив свій 12-футовий дерев’яний корабель «Фрам», щоб він замерз у арктичних кригах за 1000 км на південь від Північного полюсу. «Фрам» залишався замкненим у крижинах 35 місяців. Нансен помітив, що напрямок руху льоду та судна не паралельний вітру, а зазвичай під кутом 20^о – 40^о праворуч від нього, а швидкість дрейфу льоду становить приблизно 2% від швидкості вітру, що його викликав. Нансен поставив цю задачу Вільгельму Беркнесу в Університеті Упсали, який дав розробку теорії своєму студенту, геофізику Вангу Екману, і в 1905 р. Екман розробив теорію вітрових течій.

Рис. 1.2. Механізм екманівського накачування: апвелінг (всмоктування за Екманом) і даунвелінг (нагнітання за Екманом)

Екманівське перенесення відбувається, коли поверхневі води океану перебувають під впливом сили тертя, що діє на них через вітер. Напрямок транспорту залежить від півкулі: у Північній півкулі транспорт відбувається під кутом 90° за годинниковою стрілкою від напрямку вітру, а в Південній півкулі – під кутом 90° проти годинникової стрілки. Екманівське перенесення значно впливає на біогеохімічні властивості Світового океану. Це пов’язано з тим, що воно призводить до апвелінгу (всмоктування за Екманом) і низхідного потоку (нагнітання за Екманом), щоб підкорятися законам збереження маси. Збереження маси щодо переносу Екмана вимагає, щоб будь-яка вода, витіснена в межах ділянки, була заповнена. Це може бути виконано за допомогою всмоктування Екмана або відкачування Екмана залежно від характеру вітру.

Велика тихоокеанська сміттєва пляма (англ. Great Pacific Garbage Patch) пов’язана з транспортом Екмана. Водоверть антропогенного сміття у північній частині Тихого океану розташована між 135^о—155^о західної довготи та 35^о—42^о північної широти між Північною Америкою та Японією. На цій ділянці сформувалися надзвичайно щільні масиви пластику та інших відходів, занесених сюди водами Північнотихоокеанської системи течій. Згустки пластикових частинок у Великий тихоокеанській сміттєвій плямі нагадують зоопланктон, і медузи чи риби можуть прийняти їх за їжу. Велику кількість довговічного пластику (кришки та кільця від пляшок, одноразові запальнички) виявляють у шлунках морських птахів та тварин.

На цей час у сміттєвій плямі сформувалася унікальна біологічна спільнота, яка містить сотні видів рослин та тварин. Її особливістю є наявність, поряд з організмами, які пристосовані до життя на природних об’єктах, що плавають в океані, також і прибережних видів, яким пластикове сміття вперше надало можливість постійно жити у відкритому океані.

Рис. 1.3. Велика тихоокеанська сміттєва пляма

Блок 3. Обладнання

Обертова платформа, резервуар з квадратною основою, кругла вставка, вентилятори, барвник, клаптики паперу.