Fale Kelvina, czyli jak Pacyfik przekazuje sygnał El Niño

Fala może przemierzyć tysiące kilometrów oceanu, nie tworząc grzywaczy ani ściany wody. Jej najważniejszy ślad kryje się pod powierzchnią: ciepła warstwa staje się grubsza, a chłodna woda odsuwa się w głąb. Taką zmianę potrafi przenieść przez równikowy Pacyfik fala Kelvina. Dlaczego śledzą ją naukowcy zajmujący się El Niño?

Na łamach Nauki o klimacie pokazano już przekrój oceanu z taką falą. Kolorowa plama na wykresie rodzi jednak pytania. Czy to ta sama ciepła woda płynie od Azji ku Ameryce? Skąd wiadomo, że obserwujemy falę? I czy jej pojawienie się oznacza, że El Niño jest przesądzone?

Ocean ma również fale pod powierzchnią

W tropikalnym oceanie cieplejsza woda leży zwykle nad chłodniejszą. Między nimi znajduje się strefa, w której temperatura szybko spada wraz z głębokością (tzw. termoklina). Nie jest to sztywna przegroda. Może się podnosić i opadać, podobnie jak powierzchnia morza, choć na innych odległościach i w innym tempie.

Właśnie jej ruch jest ważną częścią opowieści. Gdy przechodzi jeden z rodzajów fali Kelvina, strefa chłodniejszej wody obniża się, a warstwa ciepła ponad nią grubieje. W drugim rodzaju dzieje się odwrotnie. Zmianom pod wodą towarzyszą zmiany poziomu morza i prądów. Wzdłuż równika taka fala przemieszcza się na wschód. Obrót Ziemi sprawia, że jej oddziaływanie skupia się w pasie wokół równika, zamiast rozchodzić się jednakowo we wszystkich kierunkach. To opis oceanicznej fali równikowej; fale nazywane kelvinowskimi występują także w innych warunkach. Źródło: McPhaden, „El Niño and La Niña: Causes and Global Consequences”, ramka 2.

Zacznijmy od brzegu

Wyobraźmy sobie najpierw wodę o jednakowej gęstości w długim kanale. Wiatr może ją spiętrzyć. Gdy przestaje napierać, grawitacja dąży do wyrównania poziomu, a woda nie zatrzymuje się od razu w położeniu równowagi. Powstaje fala. W prostym modelu bez obrotu jej wychylenie może być takie samo przy brzegu i dalej od niego.

Obrót Ziemi zmienia sytuację. Na półkuli północnej odchyla poruszającą się wodę w prawo. Jeżeli powierzchnia opada w stronę otwartego morza, różnica ciśnienia popycha wodę od brzegu, a działanie obrotu może to równoważyć. W idealnej fali Kelvina woda płynie wtedy wzdłuż brzegu, a wychylenie słabnie w miarę oddalania się od niego. Pod grzbietem i doliną kierunek prądu jest przeciwny, lecz kierunek wędrówki fali pozostaje ten sam. Na półkuli północnej taka fala ma ląd po prawej stronie swojej drogi; na południowej — po lewej. Mechanizm ten ilustruje animacja z bloga.

Co właściwie podróżuje?

Pomocna jest analogia do fali na stadionie. Wędruje układ wstających i siadających ludzi, choć publiczność nie obiega trybun. W oceanie również trzeba odróżnić przemieszczanie się wzoru zmian od drogi konkretnej porcji wody.

To jednak tylko analogia. Woda nie siedzi na swoim miejscu: fala wywołuje prądy i może uczestniczyć w przemieszczaniu ciepła. Nie należy więc mówić ani o jednej „paczce” ciepłej wody przemierzającej cały ocean z prędkością fali, ani o fali pozbawionej ruchu wody. W badaniach równikowego Pacyfiku obserwowano zarówno przemieszczające się zmiany głębokości ciepłej warstwy, jak i towarzyszące im zmiany prądów. Źródło: Kessler, McPhaden i Weickmann, 1995.

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 – Cronin i McPhaden, 1997; przebieg El Niño 1997–1998 – McPhaden, 1999.

Jak szybko ocean przenosi zmianę?

To pozwala połączyć zdarzenia bardzo odległe w przestrzeni. Zmiana wiatru na zachodzie lub w środkowej części Pacyfiku może po pewnym czasie wpłynąć na wodę bliżej Ameryki, nawet gdy miejscowe wiatry nie tłumaczą obserwowanego ocieplenia. W latach 70. XX wieku wskazywały na to badania Klausa Wyrtkiego wykorzystujące pomiary poziomu morza. Źródło: Kessler, 2006, omówienie badań Wyrtkiego.

Nie odbywa się to z dnia na dzień. W analizie wieloletnich pomiarów z boi naukowcy wyznaczyli prędkość około 2,4 metra na sekundę — nieco ponad 200 kilometrów na dobę. To prędkość rozchodzenia się badanej zmiany, a nie prędkość podróży całej masy wody. Pokonanie dużej części Pacyfiku zajmuje tygodnie. Źródło: Kessler i współautorzy, 1995.

Jak zobaczyć coś ukrytego?

Na ilustracji 1 zestawiliśmy trzy kadry z animacji oceanu z 2026 roku. Pod powierzchnią widać zmiany rozkładu temperatury, a na mapie — zmiany wysokości morza. Są to dwa różne źródła informacji i dwa różne punkty odniesienia: temperatura jest porównana z typową porą roku, natomiast poziom morza z początkiem stycznia tego samego roku. Nie należy czytać obu skal jako jednego pomiaru „siły El Niño”.

Satelita nie musi zajrzeć w głąb oceanu, by dostrzec ślad fali. Może mierzyć wysokość jego powierzchni. W marcu i kwietniu 2023 roku takie pomiary pokazały sygnały przemieszczające się na wschód wzdłuż równika. Na mapach przygotowanych przez amerykańską agencję kosmiczną widać je jako zmiany poziomu morza. To pomiary wysokości, nie zdjęcia temperatury w głębi. Źródło: NASA, „Early El Niño Signs”, 2023.

Drugi rodzaj obserwacji pochodzi z zakotwiczonych boi, których czujniki mierzą temperaturę na różnych głębokościach. Porównując kolejne miejsca i dni, można sprawdzić, czy zagłębienie ciepłej warstwy rzeczywiście przesuwa się przez ocean. Pojedynczy kolorowy przekrój pokazuje stan w danym czasie; dopiero seria obserwacji pozwala śledzić wędrówkę. Źródło: McPhaden i współautorzy, 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 – McPhaden, 1999).

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.

Gdy sygnał dociera do brzegu

Amerykański brzeg nie kończy całej historii. Część oddziaływania może rozchodzić się dalej wzdłuż wybrzeża, na północ i południe od równika. Zmieniają się wtedy poziom morza i warunki pod jego powierzchnią. Utrudniony dopływ chłodnej wody bogatej w składniki odżywcze może mieć znaczenie dla mikroskopijnych organizmów stanowiących podstawę morskiego łańcucha pokarmowego. Nie oznacza to jednak, że każdą zmianę w przybrzeżnym ekosystemie można przypisać jednej fali. Źródło: NOAA Fisheries, rozmowa z oceanografem Michaelem Jacoxem.

Patrząc na wykres fali Kelvina, oglądamy więc jeden z procesów łączących odległe części oceanu. Najciekawsze pytanie nie brzmi tylko „gdzie jest cieplejsza plama?”, lecz także „co zmieniło się pod powierzchnią, dokąd przesuwa się ta zmiana i jak odpowiada na nią atmosfera?”.

Źródła są podane przy odpowiednich fragmentach. Tekst nie jest prognozą obecnego El Niño; przykłady z 2023 roku i wcześniejszych badań mają charakter historyczny.