กระแสน้ำในมหาสมุทร (Ocean Circulation)

1. กระแสน้ำในมหาสมุทร (Ocean Circulation)

2. The Forces that Drive Currents • primary force เป็นแรงที่ทำให้น้ำเคลื่อนตัว ได้แก่ความเครียดของลมที่พัดผ่านบริเวณผิวหน้าน้ำ, การขยายตัวและการหดตัวของมวลน้ำอันเนื่องมาจากอุณหภูมิ, ความแตกต่างระหว่างความหนาแน่นระหว่างชั้นน้ำ • secondary force ซึ่งจะเป็นตัวกำหนดทิศทางการเคลื่อนที่ของกระแสน้ำ ได้แก่ Coriolis effect, แรงโน้มถ่วงของโลก, แรงเสียดทาน และรูปร่างของแอ่งมหาสมุทร

3. การเคลื่อนตัวของมวลน้ำในมหาสมุทรการเคลื่อนตัวของมวลน้ำในมหาสมุทร • กระแสน้ำบริเวณผิวหน้าน้ำ (surface current) เป็นการเคลื่อนที่ของน้ำบริเวณผิวหน้าน้ำในแนวราบ เกิดจากการขยายตัวของน้ำอันเนื่องมาจากอุณหภูมิ และความเสียดทานอันเนื่องมาจากลม (wind friction) ส่วนใหญ่จะอยู่เหนือ pycnocline • Thermohaline circulation อยู่ถัดจากชั้น pycnocline ลงไป แรงที่ก่อให้เกิดการไหลเวียนคือแรงโน้มถ่วงของโลกที่มีต่อมวลน้ำข้างเคียงซึ่งมีความหนาแน่นที่แตกต่างกัน และยังมีความสัมพันธ์กับอุณหภูมิและความเค็ม

4. Surface current • กระแสน้ำผิวหน้าน้ำในมหาสมุทรจะมีลักษณะเป็นวงเรียกว่า Gyre • Primary force ที่สำคัญคือ wind friction ของแรงลมประจำถิ่นที่พัดผ่านผิวหน้าน้ำ • Secondary force คือ Coriolis effect, Ekman transport และ gravity force

9. Ekman transport

11. มีการศึกษาพบว่าการเคลื่อนตัวของน้ำบริเวณผิวหน้าที่เกิดจากการกระทำของลม จะทำให้น้ำชั้นบนสุด (topmost layer) ของน้ำในมหาสมุทรในซีกโลกเหนือมีการเคลื่อนตัวมีทิศทางไปทางขวาของทิศทางลมเป็นมุมประมาณ 45 องศา ส่วนน้ำในชั้นที่ถัดลงมาก็จะมีการเคลื่อนตัวไปทางขวาของน้ำชั้นบนและจะเป็นเช่นนี้ไปเรื่อยๆจนถึงความลึกประมาณ 100 เมตรหรือ 330 ฟุตที่บริเวณ mid latitude

12. เมื่อมองโดยรวมจะเห็นได้ว่าชั้นน้ำในแต่ละชั้นจะสไลด์ตัวไปทางด้านข้างของชั้นน้ำที่อยู่เหนือขึ้นไปคล้ายกับการคลี่ไพ่ โดยไพ่แต่ละใบจะทำมุมไปทางด้านขวามือของไพ่ใบบน ลักษณะของการเคลื่อนตัวดังกล่าวถูกค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวสวีเดนซึ่งให้ชื่อการเคลื่อนที่แบบนี้ว่า Ekman spiral

13. ในธรรมชาติ Ekman transport ของน้ำบริเวณผิวหน้าน้ำใน gyre จะมีทิศทางการเคลื่อนตัวของน้ำทำมุมน้อยกว่า 90 องศากับทิศทางลมโดยส่วนใหญ่จะเคลื่อนตัวทำมุมประมาณ 45 องศา การเบี่ยงเบนที่ผิดไปจากทฤษฎีนี้ผลของแรงอื่นๆที่เข้าเกี่ยวข้องคือ coriolis effect, gravity force

14. การเคลื่อนตัวของน้ำบริเวณผิวหน้าน้ำมีลักษณะเป็นวง โดยจะเกิดเนิน (hill) บริเวณจุดศูนย์กลางค่อนไปทางทิศตะวันตก โดยมีความสูงมากกว่าขอบด้านนอกของ gyre ประมาณ 2 เมตร

15. เมื่อพิจารณาถึงมวลน้ำที่อยู่ใน gyre จะพบว่ามันจะเคลื่อนตัวโดยรักษาสมดุลระหว่าง Coriolis effect กับแรงโน้มถ่วงของโลกอยู่ตลอดเวลาจึงทำให้มีวนอยู่รอบเนินโดยไม่เกิดการเบี่ยงเบนเข้าหาจุดศูนย์กลาง

16. Geostrophic Gyres • การที่น้ำบริเวณผิวหน้าน้ำในมหาสมุทรเคลื่อนที่เป็นวง (gyre) โดยมีสมดุลระหว่าง Coriolis effect และแรงโน้มถ่วงของโลกจะเรียกว่า geostrophic gyre (geos=Earth, strophe=turning) • กระแสน้ำที่เคลื่อนตัวใน gyre เรียกว่า geostrophic current ซึ่ง geostrophic gyre นี้ต่างก็อยู่อย่างเป็นอิสระต่อกันในแต่ละซีกโลก โดยมีปัจจัยที่เกี่ยวข้องคือรูปแบบหรือทิศทางการพัดของลม และการวางตัวของพื้นทวีป

17. Geostrophic gyre มีทั้งหมด 5 จุดคือ • North Atlantic gyre • South Atlantic gyre • North Pacific Gyre • South Pacific gyre • The Indian Ocean gyre ลักษณะการเคลื่อนตัวของทั้ง 5 วงจะเป็นแบบปิด

19. West Wind Drift หรือ Antarctic circumpolar current ไม่ถือว่าเป็น geostrophic gyre เนื่องจากมันไม่มีการเคลื่อนตัวรอบแอ่งมหาสมุทร แต่จะเคลื่อนตัวไปรอบๆทวีปแอนตาร์คติกาทางทิศตะวันออกโดย westerly wind โดยไม่มีส่วนของทวีปมาต้านการเคลื่อนตัวของมวลน้ำแต่อย่างใด

20. Currents within Gyres 1. Western Boundary Currents ไหลเร็วที่สุดและมีความลึกของมวลน้ำมากที่สุด • พบบริเวณขอบทางด้านทิศตะวันตกของแอ่งมหาสมุทร หรือนอกชายฝั่งทางตะวันออกของทวีป

21. ได้แก่กระแสน้ำอุ่น Gulf stream (North Atlantic Gyre), the Japan or Kuroshio current （黒潮） (North Pacific gyre), the Brazil Current (South Atlantic Gyre), the East Australian current (South Pacific gyre) และ the Agulhas Current (the Indian Ocean gyre)

23. หน่วยในการศึกษาปริมาตรของน้ำที่เคลื่อนตัวไปในกระแสน้ำจะมีหน่วยเฉพาะคือ Sverdrup (sv) ซึ่งตั้งขึ้นเพื่อเป็นเกียรติแก่นักสมุทรศาสตร์ที่ชื่อ Harald Sverdrup • 1 sv จะมีค่าเท่ากับ 1ล้านลูกบาศก์เมตรต่อวินาที

24. กระแสน้ำอุ่น Gulf stream มีความเร็วในการเคลื่อนตัวมากที่สุดคืออย่างน้อย 55 sv (มากกว่าในแม่น้ำ อเมซอนซึ่งเป็นแม่น้ำที่ใหญ่ที่สุดในโลก 300 เท่า) และมีผลถึงระดับความลึกที่ 1,000 เมตรหรือมากกว่า • เนื่องจากมันเคลื่อนตัวด้วยความเร็วสูงมวลน้ำจึงไม่มีโอกาสปรับตัวให้เข้ากับสภาพของภูมิอากาศของท้องถิ่นในบริเวณที่มันไหลไป จึงจัดเป็นตัวการสำคัญที่มีส่วนในการเคลื่อนย้ายพลังงานความร้อนจากเขตร้อนสู่ขั้วโลก

25. 2. Eastern Boundary Currents กระแสน้ำประเภทนี้จะไหลอยู่ทางตะวันออกของขอบมหาสมุทร หรือทางชายฝั่งด้านตะวันตกของทวีปประกอบไปด้วย • ได้แก่ the Canary Current (North Atlantic Gyre), the Bangular Current (South Atlantic Gyre), the California Current (North Pacific Gyre), the West Australian Current ( the Indian Ocean Gyre) และ Peru or Hamboldt Current (South Pacific Gyre)

26. คุณสมบัติของกระแสน้ำนี้จะตรงกันข้ามกับ western boundary current ในเกือบทุกทาง โดยมันจะนำน้ำเย็นให้เคลื่อนตัวไปยังเส้นศูนย์สูตร กระแสน้ำจะมีความกว้างมากบางครั้งอาจกว้างถึง 1,000 กิโลเมตรไม่สามารถจำแนกขอบเขตของมวลน้ำได้อย่างชัดเจน และมีอัตราการเคลื่อนตัวต่ำ • ตัวอย่างได้แก่ กระแสน้ำเย็น Canary มีการเคลื่อนตัวเพียง 16 sv หรือ 2 กิโลเมตรต่อชั่วโมง

27. Transverse Currents เป็นกระแสน้ำข้ามมหาสมุทรในแนวตะวันออกไปตะวันตก และตะวันตกไปตะวันออก • เกิดจากแรงลมประจำถิ่นโดยลักษณะและทิศทางการเคลื่อนตัวจะมีความสัมพันธ์กับ western และ eastern boundary • ตัวอย่างเช่น North and South Equatorial Current ในมหาสมุทรแปซิฟิกและมหาสมุทรแอตแลนติคตามลำดับ เกิดจากลมสินค้า

28. กระแสน้ำดังกล่าวจะตื้นและกว้างเคลื่อนที่ไปทางตะวันตกโดยมีอัตราการเคลื่อนตัวประมาณ 30 sv

31. นอกจากนี้ Equatorial ที่เกิดขึ้นจะมีกระแสน้ำที่ไหลในทิศทางตรงกันข้ามอีกซึ่งจะอยู่บริเวณเส้นศูนย์สูตรประกอบด้วย North and South Equatorial Countercurrent

33. ปรากฏการณ์ El Nino

34. ตามปกติลมที่พัดในบริเวณตอนกลางของมหาสมุทรแปซิฟิกซึ่งอยู่ในเขตร้อนนั้น จะพัดจากทิศตะวันออกสู่ทิศตะวันตก • ลมสินค้าจะพัดจากบริเวณที่มีความกดอากาศสูงซึ่งก็คือทางตะวันออกของมหาสมุทรแปซิฟิก (อเมริกากลางและอเมริกาใต้) ไปสู่บริเวณที่มีความกดอากาศต่ำกว่าคือทางตะวันตกของมหาสมุทรแปซิฟิก (ทางเหนือของทวีปออสเตรเลีย)

37. แต่ในรอบ3-8 ปี จะเกิดความผิดปกติขึ้นโดยที่ยังไม่ทราบเหตุผลที่แน่ชัด ความกดอากาศจะก่อตัวในลักษณะกลับทิศกัน ความกดอากาศสูงจะก่อตัวขึ้นที่บริเวณตะวันตกของมหาสมุทรแปซิฟิก ส่วนความกดอากาศต่ำกลับมาก่อตัวขึ้นที่ด้านตะวันออกของมหาสมุทรแปซิฟิก • จากความผิดปกติดังกล่าว ทำให้ทิศทางของลมที่พัดในมหาสมุทรแปซิฟิกที่อยู่ในเขตร้อนพัดกลับทิศจากเดิม โดยพัดจากทิศตะวันตกไปยังทิศตะวันออก ลมสินค้าที่เกิดขึ้นประจำปีก็จะพัดอ่อนลงหรือกลับทิศทาง การเปลี่ยนแปลงความกดอากาศดังกล่าวเรียกว่า Southern Oscillation

41. ปกติลมสินค้าจะพัดพาเอาไอน้ำหรือความชุ่มชื้นปริมาณมหาศาลเคลื่อนที่ไปด้วยตามแนวเส้นศูนย์สูตรทั้งสองด้านพร้อมกับการเคลื่อนตัวของกระแสน้ำ (Equatorial current) • เมื่อลมสินค้าพัดอ่อนลง Equatorial current ก็จะหยุดเคลื่อนตัว กระแสน้ำอุ่นที่สะสมอยู่ทางตะวันตกของมหาสมุทรแปซิฟิกก็เคลื่อนตัวกลับมาทางตะวันออกตามเส้นศูนย์สูตรไปยังอเมริกากลางและอเมริกาใต้

42. การเคลื่อนตัวของกระแสน้ำอุ่นไปทางตะวันออกมักจะมาถึงบริเวณใกล้กับชายฝั่งของอเมริกาใต้ในช่วงวันคริสต์มาส จึงให้ชื่อกระแสน้ำดังกล่าวว่า El Nino เป็นภาษาสเปนแปลว่าพระบุตร ซึ่งหมายถึงพระเยซู • ปรากฏการณ์ Southern Oscillation และ El Nino มักเกิดควบคู่กันดังนั้นจึงนิยมเรียกว่า ENSO ผลกระทบที่เกิดขึ้นไม่เฉพาะในมหาสมุทรแปซิฟิกเท่านั้นแต่มีผลกระทบไปยังมหาสมุทรต่างๆทั่วโลก ที่อยู่ในเขตที่ลมสินค้าพัดผ่าน

44. ตามปกติกระแสน้ำเย็นจะนำธาตุอาหารขึ้นมาบนผิวน้ำโดยมาจากทางเหนือและทางตะวันตกของทวีปอเมริกาใต้ เมื่อเกิดปรากฏการณ์ ENSO กระแสน้ำอุ่นที่ไหลกลับมาก็จะมาพบกับกระแสน้ำเย็นดังกล่าวทำให้เกิดผลผลิตทางชีวภาพสูงขึ้นมาก ส่งผลให้ปริมาณสัตว์น้ำในบริเวณดังกล่าวชุกชุมบริเวณนอกชายฝั่งของประเทศเปรูและชิลี

45. Wind-Induce Vertical Circulation

46. Upwelling • เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อมีลมพัดขนานกับชายฝั่งโดยฝั่งอยู่ทางซ้ายมือของทิศทางลม ผลจาก Coriolis effect จะทำให้มวลน้ำเคลื่อนตัวออกจากฝั่งในแนวตั้งฉากกับทิศทางของลม ทำให้น้ำในที่ลึกเคลื่อนขึ้นมาแทนน้ำที่ถูกพัดพาออกไป การเคลื่อนตัวนี้จะเป็นไปอย่างช้าๆ น้ำจากที่ลึกจะมีธาตุอาหารอุดมสมบูรณ์ เมื่อเคลื่อนที่ขึ้นมาทำให้บริเวณดังกล่าวมีผลผลิตทางชีวภาพสูง

48. Downwelling • เป็นการจมตัวลงของมวลน้ำลงสู่ด้านล่าง ซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่อมีลมพัดผ่านผิวหน้าน้ำบริเวณชายฝั่ง โดยมีทิศขนานกับฝั่งและชายฝั่งอยู่ทางขวามือ ผลจาก Coriolis effect จะทำให้มีการพัดพามวลน้ำไปในแนวตั้งฉากกับทิศทางลมเข้าสู่ฝั่ง แล้วจมตัวลง การเคลื่อนตัวดังกล่าวไม่มีผลใดๆต่อผลผลิตทางชีวภาพในทะเล

49. Thermohaline Circulation

50. ถัดจากชั้น pycnocline ลงไปก็ยังมีการเคลื่อนตัวของมวลน้ำทั้งในแนวระนาบและแนวดิ่ง การเคลื่อนตัวนี้จะเป็นไปอย่างช้าๆซึ่งเป็นผลมาจากความแตกต่างระหว่างความหนาแน่นของมวลน้ำ • เนื่องจากความหนาแน่นเป็นปัจจัยสำคัญต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและความเค็มของน้ำทะเล การเคลื่อนตัวของมวลน้ำอันเนื่องมาจากความแตกต่างระหว่างความหนาแน่นจะเรียกว่า thermohaline circulation (thermo = heat ; halos = salt)