العلاقة الدينامية بين الرياح وتيار المحيط

إن حركة الهواء عبر الكوكب وتدفق المياه في المحيطات هما من أقوى القوى التي ترسم مناخ الأرض، وفي حين يبدو أنهما نظما منفصلة وأنماط الرياح وتيارات المحيطات مترابطة ارتباطا وثيقا، وتتبادلان باستمرار الطاقة وتؤثران على بعضهما البعض، وبالنسبة للطلاب والمربين، فإن فهم هذا التفاعل هو مفتاح فهم كل شيء من التنبؤات الجوية اليومية إلى التحولات المناخية الطويلة الأجل، والبيولوجيا البحرية، بل وحتى المادة.

ما هي (ويند باترن)؟

إن الرياح ببساطة تتجه نحو الهواء، ولكن أنماطها العالمية بسيطة، وتنشأ هذه الأنماط لأن الشمس تسخن أجزاء مختلفة من الأرض بشكل غير متساو، ويصبح خط الاستواء أكثر مباشرة من القطبين، ويخلق هذا الفرق في درجات الحرارة مستويات للضغط، ويقود الهواء من المناطق ذات الضغط العالي إلى المناطق ذات الضغط المنخفض (الأحزام)، ثم يلوي تناوب الأرض هذه التدفقات، ويخلق أحزمة الرياح الرئيسية.

فوزات تجارية

إن الرياح التجارية، التي تهب باطراد من الشرق إلى الغرب في المناطق المدارية (بين حوالي 30 درجة شمالا و 30 درجة شرقا)، هي من أكثر الرياح موثوقية على الأرض، ومن الناحية التاريخية، جهزت سفنا مبحرة تحمل بضائع عبر المحيط الأطلسي والمحيط الهادئ، وتقود هذه الرياح بغرق جوي مرتفع في المناطق دون المدارية وتتدفق نحو حزام تحت الترددات المتدنية.

Westerlies

ووجد في خطي العرض الأوسط (بين 30 درجة و60 درجة شمالا وجنوبا)، وتهب الويلات من الغرب إلى الشرق، وهي مسؤولة عن توجيه العديد من النظم الجوية عبر أمريكا الشمالية وأوروبا والمناطق المتقلبة الأخرى، وخلافا للرياح التجارية المطّردة، كثيرا ما تكون الويلات أقوى وأكثر تغيرا، لا سيما في الشتاء عندما تكون تناقضات درجات الحرارة أكبر.

Polar Easterlies

بالقرب من القطبين، والبالوعة الهوائية الباردة، والتدفقات إلى المناطق السفلى، والانتفاع غربا بسبب تأثير كوريوليس، وهذه الرؤوس القطبية الشرقية هي رياح ضحلة ولكن رياح ثابتة تساعد على قيادة تيارات سطحية في منطقتي القطب الشمالي والجنوبية.

جت سترام

إن مجرى الطائرات المتحركة هو مجموعة ضيقة من الهواء السريع، وهو ما يعثر عليه عادة على ارتفاعات ٩-١٦ كيلومترا )٠٠٠ ٣٠-٥٣ قدما(، وهذه التواريخ تفصل الهواء القطبي البارد عن الهواء الدافئ دون المداري، وتؤدي دورا رئيسيا في تشكيل أنماط الطقس، ويمكن للطائرة القطبية، على وجه الخصوص، أن تتحول شمالا أو جنوبا، وتؤثر على مسار العواصف الأرضية وتساعد على تشكيل نماذج تناوب المحيط في المنطقة.

فهم تيار المحيطات

إن تيارات المحيطات مستمرة، موجّهة نحو المياه البحرية، ويمكن تصنيفها بالعمق (الوجه مقابل العميق) وبقوة القيادة (الوجهة نحو الرياح ضد الكثافة)، وتيار السطح، الذي يقع في أعلى 400 متر من المحيط، يُعزى أساسا إلى الاحتكاك بالريح، وتيارات الأعماق، جزء من التداول الحراري العالمي، مدفوعة باختلافات في كثافة المياه بسبب درجة الحرارة والملوحة.

التيار السطحي

وتنتقل تيارات السطح إلى مياه دافئة أو باردة عبر مسافات شاسعة، فعلى سبيل المثال، يحمل ماء دافئ من خليج المكسيك فوق الساحل الشرقي للولايات المتحدة وعبر المحيط الأطلسي إلى غرب أوروبا، ويدير مناخه، وفي منطقة المحيط الهادئ، يجلب تيار كاليفورنيا مياها باردة إلى الجنوب على طول الساحل الغربي، ولا تشكل هذه التيارات بالريح فحسب، بل أيضا بتأثير الكوليسي الذي يتحول إلى الماء إلى اليمين في منطقة الساحل الغربي.

عمق المحيطات (دورة حرارة الأنابيب)

وبغض النظر عن السطح، فإن حزام النقل البطيء يعمم المياه في جميع أنحاء العالم، وهذا التداول الحراري يحركه غرق المياه المالحة الباردة في شمال الأطلسي وفي أنتاركتيكا، ثم يتدفق على قاع المحيط نحو خط الاستواء ويرتفع في نهاية المطاف، وفي حين أن الرياح تؤدي دوراً مباشراً طفيفاً في حركة المياه العميقة، فإنه يؤثر على التلويح السطحي وعلى درجات الحرارة التي تؤثر على أنماط التهرب من الجليد.

منطقة المحيط الرئيسية

إن الغيريس هي نظم كبيرة من التيارات الدوارة، وهناك خمسة أنواع رئيسية من الطاقة دون المدارية: الجيريس الشمالية والجنوبية من المحيط الهادئ، وشمال وجنوب المحيط الأطلسي، وغيير المحيط الهندي، وكل غيلير يحركه الرياح التجارية والغربية، مع وجود تأثير كوريوليس الذي يسبّب المياه في الحلق، ومركز كل غيلير هو في كثير من الأحيان منطقة هادئة من المناطق.

The Connection: How Wind Drives Ocean Currents

والصلة بين تيارات الرياح والمحيطات مباشرة وقابلة للقياس، فبينما تهب الرياح عبر سطح البحر، تنقل الاحتكاكات زخماً إلى المياه، مما يخلق تياراً، غير أن المياه السطحية لا تتحرك بالضبط في اتجاه الرياح، بل إنها تتحرك عند زاوية - نحو 45 درجة إلى اليمين في نصف الكرة الشمالي و45 درجة إلى اليسار في نصف الكرة الجنوبي.

Ekman Transport and Ekman Spiral

ومع دفع الرياح إلى المياه السطحية، تسحب هذه الطبقة طبقة تحتها، وهكذا، فكل طبقة متتالية تتحرك أكثر قليلاً إلى اليمين (أو اليسار) وبسرعة أبطأ، مما يخلق شكلاً دوائياً - دوامة إيكمان، ويحدث الأثر الصافي على ارتفاع 100 متر أو نحو ذلك، وهو نقل المياه عند حوالي 90 درجة إلى اتجاه الرياح، وهذا النقل الصافي هو ما يؤدي إلى ارتفاع وارتفاع طول السواحل.

السكن والسكن

وعندما تهب الرياح على طول الساحل، يدفع انتقال إيكمان المياه السطحية إما نحو الشاطئ أو بعيداً عنه، وإذا تحركت المياه بعيداً عن الساحل، فإن المياه العميقة والباردة والثروة بالمغذيات ترتفع إلى السطح - وهذا هو فوق السطح .

السواحل ضد معاملات المحيطات المفتوحة

وفي المحيط المفتوح، تنطبق نفس المبادئ على نطاق أوسع، كما أن الرياح التجارية تدفع التيارات الاستوائية، بينما تدفع الويلات الويلية إلى تدفقات العودة القطبية، وتخلق مزيجاً من هذه الأحزمة الريحية وتنقل إيكمان تداولات طاقية، بالإضافة إلى التحولات الموسمية في أنماط الرياح الموسمية - مثل الرياح الموسمية في المحيط الهندي - يمكن أن تعكس اتجاه التيارات الرئيسية، مما يؤثر على سقوط الأمطار والنظم الإيكولوجية البحرية.

Impact on Climate and Weather

إن تفاعل تيارات الرياح والمحيطات له عواقب بعيدة المدى على المناخ والطقس، وهنا بعض أهم الأمور.

El Niño and La Niña

وربما كان أكثر الأمثلة شهرة هو دورة النينيو - جنوبي التذبذب، وفي الظروف العادية، ترتفع الرياح التجارية القوية من المياه السطحية الدافئة إلى الغرب في المحيط المداري، وتتراكم بالقرب من إندونيسيا، مما يتيح للماء البارد والغني بالمغذيات أن يرتفع إلى مستوى أعلى في أمريكا الجنوبية.

الهرجين والتايفون

إن الأعاصير المدارية - التي تسمى الأعاصير في المحيط الأطلسي والأعاصير التيفونية في المحيط الهادئ - تسحب طاقتها من مياه المحيط الحار، ودرجات الحرارة السطحية في البحر التي تزيد على ٢٦,٥ درجة مئوية )٨٠ درجة ف( هي شرط أساسي، غير أن قذيفة الرياح )تغيير سرعة الرياح أو اتجاهها مع ارتفاعها( يمكن أن تمزق عواصف الرياح المنخفضة في المناطق المدارية أن تكثف أيضا.

Climate Zones and Regional Climates

إن تيارات المحيط تعيد توزيع الحرارة حول الكوكب، فمنطقة الخليج وشمال المحيط الأطلسي تجعل أوروبا الغربية أكثر حرارة من خط العرض المماثل في أمريكا الشمالية ب ٥-١٠ درجات مئوية، وتيار كاليفورنيا يبقي الولايات المتحدة غرب الساحل وثديها في الصيف، وكون تيار هومبولت البارد في أمريكا الجنوبية يدعم واحدا من أكبر مصائد الأسماك على الأرض، ويمكن للطلاب أن يستكشفوا كيف تخلق هذه التواريخ ميكات البحرية المماثلة على سبيل المثال،

الإنسان والإيكولوجي

فالصلة بين الرياح والمحيطات ليست مجرد أكاديمية؛ بل تؤثر على النقل البحري، وصيد الأسماك، والطاقة المتجددة، بل وعلى انتشار التلوث.

الشحن والملاحة

ومن الناحية التاريخية، يعتمد البحارون على الرياح التجارية وعلى الويلات العتيقة لعبر المحيطات، وتستخدم شركات النقل البحري اليوم بيانات آنية عن تيارات المحيطات والرياح من أجل تحقيق الحد الأمثل من الطرق، وتوفير الوقود، وخفض الانبعاثات، وقد بنيت قناة سويز وبنما جزئيا للاستفادة من التيارات والرياح السائدة، وتجمع خدمات تحديد مسارات المحيطات الحديثة بين قياسات الرياح الساتلية والنماذج الحالية للتوصية بأكفأ الطرق.

مصائد الأسماك والنظم الإيكولوجية البحرية

وتُعد المناطق المرتفعة التي تُحركها الرياح ونقل إيكمان محركات إنتاجية المحيطات، وعندما تتحول أنماط الرياح إلى النينيو، على سبيل المثال، يمكن أن تنهار الأسماك، كما حدث في مصائد الأسماك التي تُحلق من بيرو، وعلى العكس من ذلك، فإن دورات المناخ الطبيعية مثل التذبذب السكاني في المحيط الهادئ تغير أنماط الرياح والأنماط الحالية على مدى عقود، مما يؤثر على بيانات سمك السلمون في شمال المحيط الهادئ.

الطاقة المتجددة

وتنمو مزارع الريح البحرية بسرعة، ففهم التفاعل بين الغلاف الجوي والمحيط في مواقع التربين أمر حاسم للتنبؤ بموارد الرياح وإمكانيات الاضطرابات، وبالإضافة إلى ذلك، يقوم الباحثون باستكشاف أجهزة التربينات الموجودة في المحيط والتي يمكن أن تولد الكهرباء من تدفقات ثابتة مثل مرحل الخليج، غير أن نفس التيارات التي يمكن أن توفر الطاقة النظيفة تؤثر أيضاً على نقل الرواسب والحياة البحرية، مما يتطلب تقييماً بيئياً دقيقاً.

التلوث والنقل البلاستيكي

وتُحمل النفايات البلاستيكية وغيرها من الحطام بالتيارات السطحية وتتراكم في مراكز gyres-the Great Pacific Garbage Patch باعتبارها الأكثر شيوعاً، ولا توفر الأنماط الفائزة القدرة على قيادة التيار فحسب، بل أيضاً على دفع الحطام العائم مباشرة، ويساعد فهم المداخل العلماء على نموذج كيف تنتشر الحطام البحري وحيث يرجح تركيزه، على جهود التنظيف. (NASA’s visual-FLT:1).

الأنشطة التعليمية الرامية إلى استكشاف الموضوع

وتساعد الأنشطة اليدوية على تعزيز هذه المفاهيم، وهنا توجد عدة أفكار تجري فيها دراسة الفصول الدراسية.

Modeling Ekman Transport

صبغ صينية ضحلة واضحة بالماء، ورش طبقة رقيقة من النبض أو النقط الورقية الصغيرة على السطح، وضرب برفقة المياه باستخدام قش، وسترى الجسيمات السطحية تتحرك في اتجاه الرياح، ثم تضيف قطرة من الأغذية تلون قرب السطح وتشاهدها تتحرك عند زاوية الرياح بسبب الاحتكاك في عمود المياه.

تحليل البيانات مع الموارد على الإنترنت

(أ) استخدام [(FLT:0]Earth Wind Map] (الشبكة غير المدرسية) لتصوير تيارات الرياح والمحيطات في الوقت الحقيقي، ويمكن للطلاب أن يتجمعوا في مناطق مختلفة، ويقارنوا اتجاه الرياح مع الاتجاه الحالي، ويحيطوا علماً بالعلاقة، على سبيل المثال، يمكنهم التحقق من الريح التجارية ومعرفة كيفية قيادة التيارات الاستوائية، كما يمكنهم مراقبة مواقع الريح والعلامات.

Investigating El Niño

وباستخدام بيانات قياسية عن درجة حرارة سطح البحر والريح من مختبر العلوم الفيزيائية التابع للرابطة، يمكن للطلاب أن يرسموا مؤشرات التذبذب الجنوبي (فرق الضغط بين تاهيتي وداروين) وأن يقارنوها بأورام درجة الحرارة السطحية في البحر في منطقة نينيو 3-4، ويمكنهم بعد ذلك أن يتوقعوا ما إذا كان الارتفاع سيكون أقوى أو أضعف في مراحل مختلفة.

(أ) نموذج الكثافة الحالي

وفي حين أن الرياح تُحرك تيارات سطحية، فإن التيارات العميقة تعتمد على الكثافة، ففي حاوية واضحة، تُرفع المياه الدافئة (بصرف الملح) على قمة المياه العذبة الباردة، ثم تُضيف برفق المياه المالحة في قاع البحر، وتتدفق على طول القاعدة، وتحفز الهبوط في شمال الأطلسي، ويساعد هذا النشاط الطلاب على فهم سبب درجة الحرارة والملوحة في تداول البواسير، ومدى تأثيره الريح.

خاتمة

والرقص بين تيارات الرياح والمحيطات هو أحد أهم العمليات المناخية الأساسية في الأرض، إذ أن الرياح توفر دفعة أولية لتيارات سطحية، في حين أن تيارات المحيط تعيد توزيع الحرارة وتؤثر على أنماط الضغط الجوي في الغلاف الجوي في حلقة مستمرة من المعلومات المرتدة، ومن الريح التجارية التي تنقل مستكشفين عبر المحيط الأطلسي إلى التيارات العميقة التي تخزن الكربون لقرون، فإن هذا التفاعل يُشكل نماذج دعم الحياة في كوكبنا.