علم المحيطات الفيزيائي

تختلف درجة حرارة مياه المحيطات اختلافًا كبيرًا باختلاف المناطق والأعماق. وكما ذُكر، تقع الغالبية العظمى من مياه المحيطات (حوالي 75%) بين 0 و 5 درجات مئوية (41 درجة فهرنهايت) ، لا سيما في أعماق المحيط حيث لا تخترق أشعة الشمس. أما الطبقات السطحية، فتشهد تباينًا أكبر بكثير. ففي المناطق القطبية، قد تنخفض درجات حرارة السطح إلى ما دون الصفر، بينما قد تصل في المناطق الاستوائية وشبه الاستوائية إلى 35 درجة مئوية. وينتج عن هذا التدرج الحراري تدرج رأسي في درجة الحرارة يقسم المحيط إلى طبقات متميزة.  

1. الطبقة السطحية المختلطة : تتميز هذه الطبقة العلوية بتجانسها الجيد بفعل الرياح والأمواج، مما يؤدي إلى تباين طفيف في درجة الحرارة مع العمق. ويتفاوت سمك هذه الطبقة تبعًا للموقع والفصل، ولكنه قد يمتد من 50 إلى 200 متر.
2. الطبقة الحرارية : تقع الطبقة الحرارية أسفل الطبقة المختلطة، وهي منطقة تنخفض فيها درجة الحرارة بسرعة مع ازدياد العمق. تبرز الطبقة الحرارية بشكل خاص في المناطق الاستوائية والمعتدلة، بينما تغيب في المياه القطبية حيث تقترب درجات حرارة السطح من درجة التجمد. يتغير عمق الطبقة الحرارية ووضوحها تبعًا للتغيرات الموسمية والتيارات المحيطية، ما يجعلها تلعب دورًا حاسمًا في تنظيم التبادل الحراري بين المحيط والغلاف الجوي.
3. المنطقة السحيقة : تقع أسفل الطبقة الحرارية المحيطية، أو المنطقة السحيقة، حيث تبقى درجات الحرارة متجانسة نسبيًا، وتتراوح فوق درجة التجمد بقليل (0-3 درجات مئوية). تنشأ هذه المياه الباردة والكثيفة من المناطق القطبية، حيث تبرد المياه السطحية وتغوص وتنتشر باتجاه خط الاستواء على طول قاع المحيط، لتشكل نظام دوران المياه في أعماق المحيط.

تتراوح نسبة الملوحة، وهي مقياس لتركيز الأملاح الذائبة في مياه البحر، عادةً بين 34 و35 جزءًا في الألف في معظم محيطات العالم. ومع ذلك، تتسبب عوامل محلية، مثل التبخر والهطول وجريان الأنهار وتكوّن الجليد أو ذوبانه، في اختلافات كبيرة في نسبة الملوحة. وتكون هذه الاختلافات أكثر وضوحًا في المناطق الساحلية والبحار الهامشية.

1. ملوحة سطح البحر : في المحيطات المفتوحة، تكون الملوحة أعلى ما يمكن في المناطق شبه الاستوائية حيث تسود معدلات التبخر العالية، وأدنى ما يمكن في المناطق ذات معدلات هطول الأمطار المرتفعة أو تدفق المياه العذبة من الأنهار، مثل مصبي نهري الأمازون والكونغو. وقد تصل ملوحة البحار الاستوائية وشبه الاستوائية، كالبحر الأحمر والبحر الأبيض المتوسط، إلى 40-41 جزءًا في الألف نتيجة التبخر الشديد وقلة تبادل المياه مع المحيط المفتوح.
2. الطبقة الملحية : هي طبقة في المحيط تتغير فيها الملوحة بسرعة مع العمق. يمكن أن تتأثر هذه الطبقة بعمليات سطحية مثل التبخر (الذي يزيد الملوحة) وتدفق المياه العذبة (الذي يقللها). غالبًا ما تتزامن الطبقة الملحية مع الطبقة الحرارية، خاصة في المناطق الاستوائية وشبه الاستوائية، مما يساهم في استقرار عمود الماء بشكل عام.
3. المناطق القطبية : في المناطق القطبية، تكون ملوحة المياه السطحية أقل عمومًا بسبب تدفق المياه العذبة من ذوبان الجليد. ومع ذلك، أثناء تشكل الجليد البحري، يؤدي طرد المحلول الملحي إلى زيادة ملوحة المياه المحيطة، مما يساهم في غرق الكتل المائية الكثيفة وتكوين تيارات محيطية عميقة تحرك أنماط الدوران العالمي.

ينشأ الملح في المحيطات من جريان المياه من مصادر أرضية، بالإضافة إلى الفتحات الحرارية المائية. ^{[ 6 ]} وتشير التقديرات إلى أن ملوحة المحيطات كانت أعلى في الماضي البعيد مما هي عليه اليوم. ^{[ 7 ]}

يؤدي اجتماع تغيرات درجة الحرارة والملوحة إلى تغيرات في كثافة مياه البحر. وتتأثر كثافة مياه البحر بشكل أساسي بهذين العاملين، فالمياه الباردة والمالحة تكون أكثر كثافة من المياه الدافئة والعذبة. ويُحدث هذا التباين في الكثافة تدرجاً في طبقات المحيط، وهو أمر أساسي لفهم أنماط دوران المحيط.

1. طبقة الكثافة : هي طبقة في المحيط تزداد فيها الكثافة بسرعة مع العمق. تتزامن عادةً مع طبقة التغير الحراري وطبقة التغير الملحي في المياه الاستوائية وشبه الاستوائية، مُشكّلةً حدًا فاصلًا واضحًا بين مياه السطح الأقل كثافة ومياه أعماق المحيط الأكثر كثافة. يعمل هذا التدرج في الكثافة كحاجز أمام الاختلاط الرأسي، مما يحد من تبادل الحرارة والغازات والمغذيات بين طبقات سطح المحيط وأعماقه.
2. الدوران الحراري الملحي : تُحرك اختلافات الكثافة الدوران الحراري الملحي، المعروف أيضًا باسم "الحزام الناقل" العالمي، والذي يلعب دورًا حاسمًا في تنظيم مناخ الأرض. تغوص المياه الباردة الكثيفة المتكونة في المناطق القطبية وتتحرك على طول قاع المحيط باتجاه خط الاستواء، بينما تتدفق المياه السطحية الأكثر دفئًا باتجاه القطبين لتحل محلها. يساعد هذا الدوران العالمي على إعادة توزيع الحرارة والحفاظ على التوازن الديناميكي للمحيط.
3. الاختلافات الإقليمية : في مناطق التيارات الصاعدة أو الهابطة، قد يضطرب تركيب كثافة عمود الماء. تجلب التيارات الصاعدة مياهًا أبرد غنية بالمغذيات إلى السطح، بينما تدفع التيارات الهابطة المياه السطحية إلى أعماق أكبر، مما يؤثر على النظم البيئية المحلية والمناخ العالمي.

يُعدّ فهم التفاعلات المعقدة بين درجة الحرارة والملوحة والكثافة أمرًا بالغ الأهمية للتنبؤ بأنماط دوران المحيطات، وتأثيرات تغير المناخ، وصحة النظم البيئية البحرية. كما تؤثر هذه العوامل على الحياة البحرية، إذ أن العديد من الأنواع حساسة لنطاقات محددة من درجات الحرارة والملوحة في بيئاتها.

تُؤدي ظاهرة كوريوليس إلى انحراف تدفقات السوائل (إلى اليمين في نصف الكرة الشمالي وإلى اليسار في نصف الكرة الجنوبي). ولهذا تأثير بالغ على حركة المحيطات، إذ يعني تحديدًا أن التدفق يدور حول أنظمة الضغط المرتفع والمنخفض، مما يسمح لها بالاستمرار لفترات طويلة. ونتيجة لذلك، يُمكن أن تُنتج اختلافات طفيفة في الضغط تيارات قابلة للقياس. فعلى سبيل المثال، يُؤدي ميلٌ بمقدار جزء واحد في المليون في ارتفاع سطح البحر إلى تيار سرعته 10  سم/ثانية عند خطوط العرض المتوسطة. ولأن تأثير كوريوليس يكون في أقصى حالاته عند القطبين وضعيفًا عند خط الاستواء، فإنه يُؤدي إلى تيارات حدودية غربية حادة وثابتة نسبيًا، وهي غائبة على الحدود الشرقية. انظر أيضًا تأثيرات الدوران الثانوي .

ينتج عن نقل إيكمان نقل صافٍ للمياه السطحية بزاوية 90 درجة إلى يمين اتجاه الرياح في نصف الكرة الشمالي، و90 درجة إلى يسار اتجاه الرياح في نصف الكرة الجنوبي. عندما تهب الرياح على سطح المحيط، فإنها "تتشبث" بطبقة رقيقة من المياه السطحية. بدورها، تنقل هذه الطبقة الرقيقة من الماء طاقة الحركة إلى الطبقة الرقيقة من الماء التي تحتها، وهكذا. مع ذلك، وبسبب تأثير كوريوليس، يتحرك اتجاه حركة طبقات الماء ببطء إلى اليمين كلما ازداد عمقها في نصف الكرة الشمالي، وإلى اليسار في نصف الكرة الجنوبي. في معظم الحالات، تقع الطبقة السفلية من الماء المتأثرة بالرياح على عمق يتراوح بين 100 و150 مترًا، وتتحرك بزاوية 180 درجة تقريبًا، في الاتجاه المعاكس تمامًا لاتجاه هبوب الرياح. إجمالًا، يكون النقل الصافي للمياه بزاوية 90 درجة من الاتجاه الأصلي للرياح.

تُؤدي دورة لانغمير إلى ظهور خطوط رفيعة مرئية، تُسمى صفوف الرياح ، على سطح المحيط، موازية لاتجاه هبوب الرياح. إذا تجاوزت سرعة الرياح 3  أمتار  في ^{الثانية} ، فإنها تُشكّل صفوف رياح متوازية تتناوب فيها تيارات الصعود والهبوط،  بمسافة تتراوح بين 5 و300 متر. تتشكل هذه الصفوف نتيجة دوران خلايا مائية بيضاوية الشكل متجاورة (يصل عمقها إلى حوالي 6 أمتار ) بالتناوب في اتجاه عقارب الساعة وعكسها. في مناطق التقارب ، تتراكم الحطام والرغوة والطحالب البحرية، بينما في مناطق التباعد، يُصطاد العوالق ويُحمل إلى السطح. إذا وُجدت كميات كبيرة من العوالق في منطقة التباعد، فإن الأسماك غالبًا ما تنجذب إليها للتغذي عليها.  

عند نقطة التقاء المحيط والغلاف الجوي، يتبادل المحيط والغلاف الجوي تدفقات الحرارة والرطوبة والزخم.

حرارة

تشمل أهم العوامل الحرارية على السطح تدفق الحرارة المحسوسة ، وتدفق الحرارة الكامنة، والإشعاع الشمسي الوارد ، وتوازن الإشعاع طويل الموجة ( الأشعة تحت الحمراء ) . وبشكل عام، تميل المحيطات الاستوائية إلى إظهار صافي اكتساب للحرارة، بينما تميل المحيطات القطبية إلى إظهار صافي فقدان للحرارة، وذلك نتيجة لانتقال صافٍ للطاقة باتجاه القطبين في المحيطات.

تُساهم السعة الحرارية الكبيرة للمحيطات في تلطيف مناخ المناطق المجاورة لها، مما يُؤدي إلى مناخ بحري في تلك المواقع. وقد يكون ذلك نتيجة لتخزين الحرارة في الصيف وإطلاقها في الشتاء، أو نتيجة لانتقال الحرارة من المناطق الأكثر دفئًا. ومن الأمثلة البارزة على ذلك أوروبا الغربية ، التي تُسخّن جزئيًا على الأقل بفعل تيار شمال المحيط الأطلسي .

دَفعَة

تتراوح سرعة الرياح السطحية عادةً بين بضعة أمتار في الثانية، بينما تبلغ سرعة التيارات المحيطية بضعة سنتيمترات في الثانية. لذا، من وجهة نظر الغلاف الجوي، يمكن اعتبار المحيط ساكناً فعلياً؛ أما من وجهة نظر المحيط، فيفرض الغلاف الجوي ضغطاً رياحياً كبيراً على سطحه، مما يُحدث تيارات واسعة النطاق في المحيط.

تُولد الرياح، بفعل إجهادها، أمواجًا على سطح المحيط ؛ وتقترب سرعة طور هذه الأمواج الأطول من سرعة الرياح . وينتقل زخم الرياح السطحية إلى تدفق الطاقة عبر أمواج سطح المحيط. ويؤدي ازدياد خشونة سطح المحيط، نتيجة وجود الأمواج، إلى تغيير اتجاه الرياح قرب السطح.

رُطُوبَة

يمكن للمحيط أن يكتسب الرطوبة من الأمطار ، أو يفقدها عن طريق التبخر . يؤدي فقدان الرطوبة بالتبخر إلى زيادة ملوحة المحيط؛ فالبحر الأبيض المتوسط ​​والخليج العربي ، على سبيل المثال، يشهدان فقدانًا كبيرًا للرطوبة بالتبخر؛ ويمكن تتبع مسار عمود المياه المالحة الكثيفة الناتج عبر مضيق جبل طارق إلى المحيط الأطلسي . في الماضي، كان يُعتقد أن التبخر / الهطول عامل رئيسي في تيارات المحيط؛ أما الآن، فقد تبين أنه عامل ثانوي للغاية.

موجات كلفن

موجة كلفن هي أي موجة متقدمة تنتقل بين حدين أو قوتين متعاكستين (عادةً بين قوة كوريوليس وخط ساحلي أو خط استواء ). وهناك نوعان: ساحلية واستوائية. موجات كلفن مدفوعة بالجاذبية وغير متشتتة ، مما يعني أنها تحافظ على شكلها واتجاهها لفترات طويلة. وتنشأ عادةً نتيجة تغير مفاجئ في الرياح، مثل تغير الرياح التجارية في بداية ظاهرة النينيو-التذبذب الجنوبي .

تتبع موجات كيلفن الساحلية خطوط الشواطئ وستنتشر دائمًا في اتجاه عكس عقارب الساعة في نصف الكرة الشمالي (مع وجود خط الشاطئ على يمين اتجاه السفر) وفي اتجاه عقارب الساعة في نصف الكرة الجنوبي .

تنتشر موجات كلفن الاستوائية شرقًا في كل من نصف الكرة الشمالي ونصف الكرة الجنوبي ، مستخدمة خط الاستواء كدليل .

من المعروف أن موجات كلفن تتميز بسرعات عالية جداً، تتراوح عادةً بين 2 و3 أمتار في الثانية. ويبلغ طول موجاتها آلاف الكيلومترات، وسعتها عشرات الأمتار.

أمواج روسبي

موجات روسبي ، أو الموجات الكوكبية ، هي موجات ضخمة وبطيئة تتولد في طبقة التروبوسفير نتيجةً لاختلاف درجات الحرارة بين المحيط والقارات . وتتمثل قوة الاستعادة الرئيسية لها في تغير قوة كوريوليس مع خط العرض . عادةً ما تكون سعة موجاتها عشرات الأمتار، ولها أطوال موجية كبيرة جدًا . وتوجد عادةً في خطوط العرض المنخفضة أو المتوسطة.

توجد نوعان من موجات روسبي: موجات باروتروبية وموجات باروكلينية . تتميز موجات روسبي الباروتروبية بأعلى سرعاتها ولا تتغير عموديًا. أما موجات روسبي الباروكلينية فهي أبطأ بكثير.

تتميز موجات روسبي بأن سرعة طور كل موجة على حدة لها مركبة غربية، بينما يمكن أن تكون سرعة المجموعة في أي اتجاه. عادةً ما تكون سرعة مجموعة موجات روسبي الأقصر شرقية، بينما تكون سرعة مجموعة الموجات الأطول غربية.

يمكن أن يؤدي تفاعل دوران المحيطات، الذي يعمل كمضخة حرارية ، مع التأثيرات البيولوجية مثل تركيز ثاني أكسيد الكربون ، إلى تغيرات مناخية عالمية على مدى عقود. ومن بين التذبذبات المناخية المعروفة الناتجة عن هذه التفاعلات، التذبذب العشري للمحيط الهادئ ، وتذبذب شمال الأطلسي ، وتذبذب القطب الشمالي . وتُعد عملية الدوران الحراري الملحي في المحيطات عنصرًا هامًا في إعادة توزيع الحرارة على مستوى العالم، ويمكن أن يكون للتغيرات في هذا الدوران تأثيرات كبيرة على المناخ.

ومن أهم التيارات المحيطية ما يلي:

• التيار القطبي الجنوبي
• أعماق المحيط (مدفوعة بالكثافة)
• تيارات الحدود الغربية
  • تيار الخليج
  • تيار كوروشيو
  • تيار لابرادور
  • تيار أوياشيو
  • تيار أغولهاس
  • التيار البرازيلي
  • تيار شرق أستراليا
• تيارات الحدود الشرقية
  • التيار الكهربائي في كاليفورنيا
  • تيار الكناري
  • تيار بيرو
  • تيار بنغيلا

يُعدّ تدفق الحرارة في المحيطات نظامًا مضطربًا ومعقدًا، يستخدم تقنيات قياس الغلاف الجوي، مثل قياس التباين الدوامي، لقياس معدل انتقال الحرارة بوحدة البيتاواط . ^{[ 9 ]} يُعرَّف تدفق الحرارة بأنه تدفق الطاقة لكل وحدة مساحة لكل وحدة زمنية. تتركز معظم حرارة الأرض في بحارها، بينما تنتقل كميات أقل من الحرارة عبر عمليات مثل التبخر والإشعاع والانتشار والامتصاص في قاع البحر. ويحدث الجزء الأكبر من تدفق الحرارة في المحيطات من خلال الحمل الحراري ، أو حركة تيارات المحيط. فعلى سبيل المثال، يُعتقد أن معظم حركة المياه الدافئة في جنوب المحيط الأطلسي نشأت في المحيط الهندي. ^{[ 10 ]} ومن الأمثلة الأخرى على الحمل الحراري تسخين المحيط الهادئ غير الاستوائي، الناتج عن عمليات تحت سطحية مرتبطة بالطيات المحدبة في الغلاف الجوي. ^{[ 11 ]} تُثير الملاحظات الحديثة لارتفاع درجة حرارة مياه قاع القطب الجنوبي في المحيط الجنوبي قلق علماء المحيطات، لأن تغيرات مياه القاع ستؤثر على التيارات والمغذيات والكائنات الحية في أماكن أخرى. ^{[ 12 ]} ساهم الوعي الدولي بظاهرة الاحتباس الحراري في تركيز البحوث العلمية على هذا الموضوع منذ إنشاء الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ عام 1988. وقد أدى تحسين رصد المحيطات، والأجهزة، والنظريات، والتمويل إلى زيادة التقارير العلمية حول القضايا الإقليمية والعالمية المتعلقة بالحرارة. ^{[ 13 ]}

تشير مقاييس المد والجزر وقياسات الارتفاع بالأقمار الصناعية إلى زيادة في مستوى سطح البحر بمقدار 1.5-3  ملم/سنة على مدى السنوات الـ 100 الماضية.

تتوقع الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ أن يؤدي الاحتباس الحراري بحلول عامي 2081-2100 إلى ارتفاع مستوى سطح البحر بمقدار 260 إلى 820  ملم. ^{[ 14 ]}

يُعدّ ارتفاع وانخفاض مستوى المحيطات بفعل المد والجزر عاملاً مؤثراً رئيسياً على المناطق الساحلية. وينشأ المد والجزر على كوكب الأرض بفعل جاذبية الشمس والقمر . وتتشابه قوة المد والجزر الناتجة عن هذين الجرمين تقريباً، إلا أن حركة القمر المدارية تُؤدي إلى أنماط مد وجزر متغيرة على مدار الشهر.

يُنتج مدّ وجزر المياه تيارًا دوريًا على طول الساحل، وقد تكون قوة هذا التيار هائلة في مصبات الأنهار الضيقة. كما يُمكن أن يُحدث المدّ الصاعد موجة مدّية قوية على طول النهر أو الخليج الضيق، حيث يؤدي تدفق المياه عكس التيار إلى تكوّن موجة على السطح.

يُبيّن كتاب "المد والجزر" (ويبان، ١٩٩٢) بوضوح تأثير هذه الدورات الطبيعية على نمط حياة ومعيشة سكان هاواي الأصليين الذين يعتنون بأحواض الأسماك الساحلية. "أيا كي أولا كا هانا" تعني... الحياة في مخاض .

يحدث الرنين المدّي في خليج فندي لأن الوقت الذي تستغرقه موجة كبيرة للانتقال من مصب الخليج إلى الطرف المقابل، ثم تنعكس وتعود إلى مصب الخليج يتزامن مع إيقاع المد والجزر الذي ينتج عنه أعلى المد والجزر في العالم.

عندما يتذبذب المد والجزر السطحي فوق التضاريس، مثل الجبال البحرية المغمورة أو التلال، فإنه يولد موجات داخلية بتردد المد والجزر، والتي تُعرف باسم المد والجزر الداخلي .

يمكن أن تتولد سلسلة من الأمواج السطحية نتيجة إزاحة واسعة النطاق لمياه المحيط. وقد يكون سبب هذه الأمواج انهيارات أرضية تحت سطح البحر ، أو تشوهات في قاع البحر نتيجة الزلازل ، أو اصطدام نيزك كبير .

يمكن أن تنتقل الأمواج بسرعة تصل إلى عدة مئات من الكيلومترات في الساعة عبر سطح المحيط، ولكن في وسط المحيط بالكاد يمكن اكتشافها بأطوال موجية تمتد لمئات الكيلومترات.

أُعيد تسمية موجات التسونامي، التي كانت تُعرف في الأصل باسم موجات المد والجزر، لأنها لا ترتبط بالمد والجزر. وتُعتبر موجات مياه ضحلة ، أي موجات في مياه يقل عمقها عن 1/20 من طول موجتها. تتميز موجات التسونامي بفترات زمنية طويلة جدًا، وسرعات عالية، وارتفاعات هائلة.

يتمثل التأثير الرئيسي لهذه الأمواج في المناطق الساحلية، حيث تُدفع كميات كبيرة من مياه المحيط بشكل دوري نحو الداخل ثم تُسحب إلى البحر. وقد ينتج عن ذلك تغييرات كبيرة في المناطق الساحلية التي تضربها الأمواج بطاقة كافية.

بلغ ارتفاع موجة التسونامي التي ضربت خليج ليتويا في ألاسكا في 9 يوليو 1958، 520 متراً (1710 قدماً) ، وهي أكبر موجة تسونامي تم قياسها على الإطلاق، إذ يزيد ارتفاعها عن برج سيرز في شيكاغو بحوالي 90 متراً (300 قدم)، ويزيد ارتفاعها عن مركز التجارة العالمي السابق في نيويورك بحوالي 110 أمتار (360 قدماً) . ^{[ 15 ]}      

تُولّد الرياح أمواجًا على سطح المحيط، والتي تُؤثر بشكل كبير على المنشآت البحرية والسفن ، وعلى التعرية الساحلية والترسبات ، فضلًا عن الموانئ . وبعد تكوّنها بفعل الرياح، يُمكن لأمواج سطح المحيط أن تنتقل (كأمواج متموجة ) لمسافات طويلة.