Wind Driven Current

ในวันที่ลมพัดแรง เราสามารถสังเกตเห็นได้อย่างชัดเจนว่าลมสามารถก่อให้เกิด คลื่นในทะเลขึ้นมาได้ ซึ่งนอกจากคลื่นแล้ว อีกอย่างหนึ่งที่ลมสามารถสร้างขึ้นมาได้ก็คือ กระแสน้ำ ซึ่งจะทำให้น้ำจำนวนมหาศาลเกิดการเคลื่อนที่ข้ามมหาสมุทรได้

พลังงานจากลมสามารถส่งถ่ายมาสู่น้ำได้อย่างไร ? พลังงานสามารถถ่ายทอดจากลมมาสู่ผิวหน้าน้ำทะเลได้ ด้วยผลของแรงเสียดทานระหว่างลมและผิวหน้าน้ำ ทะเล พลังงานที่ถูกถ่ายทอดลงสู่ผิวหน้าน้ำทะเล ทำให้ชั้น ของน้ำเกิดการเคลื่อนที่และก่อให้เกิดเป็นคลื่นและ กระแสน้ำ กระบวนการที่พลังงานถ่ายทอดจากลมสู่คลื่นและ กระแสน้ำนั้นค่อนข้างซับซ้อนและขึ้นกับปัจจัยหลาย อย่าง ทั้งความเร็วลม ความตึงผิวของน้ำ และความ ขรุขระของผิวหน้าน้ำทะเล

สัดส่วนของพลังงานลมที่จะถ่ายเทเป็นพลังงานให้กับ กระแสน้ำในมหาสมุทรนั้นมีค่าที่ไม่แน่นอน เปลี่ยนแปลง ได้ตามปัจจัยต่างๆ แต่มีการประมาณกันว่าสำหรับลมที่พัดคงที่สม่ำเสมอ ความเร็วของกระแสน้ำที่บริเวณพื้นผิว มีค่าประมาณ 1-3 เปอร์เซ็นของความเร็วลมที่พัด ยกตัวอย่างเช่นถ้าลมพัด ด้วยความเร็ว 60 กม/ชม. ความเร็วของกระแสน้ำบริเวณ พื้นผิวจะมีค่าประมาณ 1-2 กม./ชม.

Layer in motion Surface water set in motion by the wind flows horizontally across the water below it. Because of internal friction between the surface water and the water below, wind energy is transferred downward. If we consider the water column to consist of a series of very thin horizontal layers, we can envision the moving surface layer transferring some of its kinetic energy to the next-lower layer by friction, setting that layer in motion.

Wind-driven currents Layer. อย่างไรก็ตามมีพลังงานจลน์เพียงแค่ส่วนเสี้ยวเดียวเท่านั้น ที่จะถ่ายเทให้กับชั้นน้ำที่ อยู่ด้านล่างลงไปในแต่ละชั้น ดังนั้นเราจึงพบว่าความเร็วของกระแสน้ำนั้นจะลดลงอย่างรวดเร็วตามความลึกของน้ำ กระแสน้ำที่เกิดจากลมจึงจะอยู่แค่ในระดับความลึก 100-200 เมตรจากระดับผิวหน้าน้ำ ทะเลเท่านั้น และโดยความเป็นจริงแล้ว มักจะตื้นกว่านั้นอีก

ทำไมกระแสน้ำยังคงไหลต่อไปได้เรื่อยๆแม้ไม่มีลม ? แม้ลมจะหยุดพัด แต่โมเมนตัมจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคน้ำยังคงอยู่ น้ำจึงยังคงไหล ไปได้เรื่อยๆแม้ว่าลมจะหยุดพัดไปแล้วก็ตาม ทีนี้พลังงานหรือโมเมนตัมที่หลงเหลืออยู่นั่น จะค่อยๆลดลงไปเรื่อยๆ เพราะแรงเสียด ทานที่อยู่ระหว่างชั้นน้ำแต่ละชั้น แต่เนื่องจากแรงเสียดทานระหว่างชั้นน้ำนั้นมีค่าน้อย จึงเป็นสาเหตุให้กระแสน้ำยังคง เคลื่อนที่ต่อไปได้เป็นระยะเวลานานแม้ว่าลมจะหยุดพัดไปแล้วก็ตาม

สาเหตุถัดมาที่กระแสน้ำยังคงมีอยู่แม้ว่าลมจะหยุดพัดไปแล้วก็คือ เมื่อลมพัด เกิด กระแสน้ำ ที่บริเวณผิวหน้าน้ำจะเกิดความลาดเอียงไม่เท่ากันหรือที่เรียกว่า sea surface slope ขึ้น ซึ่งเจ้า sea surface slope ที่ถูกกระแสน้ำสร้างขึ้นมานี้มีค่าน้อยมาก โดยมีความต่างกันไม่กี่เซนติเมตร สำหรับระยะทางที่ลมพัดหลายร้อยหรือ อาจจะหลายพันกิโลเมตร แต่ความแตกต่างเพียงเล็กน้อยนี้ก็เพียงพอที่จะทำให้เกิดการไหลของกระแสน้ำ ตามความเอียงจากสูงลงมาต่ำได้เมื่อลมหยุดพัด

เมื่อลมได้สร้างกระแสน้ำให้เริ่มต้นเคลื่อนที่แล้ว ทิศทางและความเร็วของกระแสน้ำ จะ ถูกกำหนดโดยแรงเสียดทานและปัจจัยอื่นๆอีก 3 ประการได้แก่ 1 แรงโคริโอลิส 2 การวางตัวของแนวแผ่นดินซึ่งกว้างทิศทางการไหลของกระแสน้ำ 3 ความแตกต่างของความกดอากาศ ในแต่ละจุด

Nansen’s observations

Fridtjof Nansen

During his Arctic expedition in the 1890s, Fridtjof Nansen noticed that drifting ice moved in a direction about 20° to 40° to the right of the wind direction. The surface current that carries drifting ice does not flow in the direction of the wind but is deflected cum sole (“with the sun”)—that is, to the right in the Northern Hemisphere and to the left in the Southern Hemisphere subject to the Coriolis effect

Layer by layer น้ำทะเลที่บริเวณผิวหน้าเริ่มต้นเคลื่อนที่ได้เพราะลม จากนั้นพลังงานจากลมก็ถ่ายเทลึกลงไปเรื่อยๆตาม แนวดิ่ง ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของชั้นน้ำ ไปตลอด แนวจากบนลงล่าง โดยชั้นที่อยู่ลึกจะเคลื่อนที่จากพลังงานที่ได้รับจากชั้น ด้านบน เป็นอย่างนี้ต่อๆกันไป

และแต่ละชั้นของน้ำที่เคลื่อนที่ก็จะได้รับอิทธิพลจาก แรงโคริโอลิส ทำให้เกิดการ เคลื่อนไปทางด้าน ขวามือ ของทิศการเคลื่อนที่เสมอในทุกๆชั้น จากการเคลื่อนที่ที่แต่ละชั้นจะเบี้ยวไปทางขวามือทีละ น้อยอย่างนี้เอง ทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า Ekman Spiral โดยชื่อนี้ถูกตั้งขึ้นตามนักฟิสิกส์ Vagn Walfrid Ekman ที่สามารถเขียนสมการอธิบาย การเคลื่อนที่ที่ ค้นพบโดย Nansen ที่ว่าทำไมน้ำแข็งไม่เคลื่อนไป ในทางทิศเดียวกันกับทิศของลมได้

Vagn Walfrid Ekman

Ekman Spiral

สำหรับบริเวณผิวหน้าน้ำทะเลนั้น ทฤษฎีของ Ekman ทำนายว่าทิศของกระแสน้ำจะเบี่ยงเบนทำมุม 45 องศาไปทางด้านขวาของทิศลมเสมอ ทิศทางเฉลี่ยโดยรวมของน้ำจากด้านบนสุดจนถึง ล่างสุดที่พลังงานลมลงไปถึงจะมีค่าประมาณ 90 องศา ไปทางด้านขวาของทิศลมเสมอ ในสภาวะปกติที่พบโดยทั่วๆไปแล้ว ซึ่งมีปัจจัยอื่นๆมา เกี่ยวข้อง มุมของการเบี่ยงเบนที่ผิวหน้าน้ำมักน้อยกว่า ในทางทฤษฎี

Depth of frictional influence ยิ่งความลึกมากขึ้นเท่าไหร่ ความเร็วของกระแสน้ำก็จะยิ่งลดลง และมุมที่เบ้สะสมก็จะ เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ Ekman spiral สามารถลงลึกได้ถึงระดับ 100-200 เมตรใต้ผิวหน้าน้ำ ส่งผลให้ เกิดการเคลื่อนที่ของน้ำที่บริเวณดังกล่าว

At this depth, the current speed is about 4% of the surface current speed. The water column above the depth of frictional influence is known as the “wind- driven layer.” The most important feature of the Ekman spiral is that water in the wind-driven layer is transported at an angle cum sole to the wind direction and that the deflection increases with depth.

แล้วถ้าเป็นในเขตน้ำตื้นล่ะ ? The Ekman spiral also cannot be fully established in shallow coastal waters, because of added friction between the near-bottom current and the seafloor. the surface current deflection is somewhat less than 45ฐ and Ekman transport is at an angle of less than 90ฐ to the wind.

แล้วถ้าน้ำตื้นมากๆแค่ไม่กี่เมตรล่ะ ? ที่น้ำตื้นมากๆ แค่ไม่กี่เมตร ทิศที่น้ำไหลจะไม่เกี่ยวข้องกับทิศของลมอีกต่อไป ทิศที่น้ำไหลจะขึ้นอยู่กับ bottom topography และไหลไปตามแนว เส้นระดับความลึก

Generalized prevailing wind

The wind-driven surface currents of the oceans and the locations of the major convergences and divergences are related

rip current

rip current

rip current

rip current

rip current A rip current, is a localized current that flows away from the shoreline toward the ocean, perpendicular or at an acute angle to the shoreline. It usually breaks up not far from shore and is generally not more than 25 meters (80 feet) wide. Rip currents typically reach speeds of 1 to 2 feet per second. However, some rip currents have been measured at 8 feet per second—faster than any Olympic swimmer ever recorded (NOAA, 2005b)

How to escape วิธีที่ดีที่สุดที่จะหนีออกจาก rip current คือให้ว่ายน้ำขนานกับชายฝั่งแทนที่จะ ว่ายเข้าสู่ฝั่ง เพราะโดยส่วนใหญ่แล้ว rip current จะมีความกว้างไม่เกิน 80 ฟุต หรืออีกวิธีหนึ่งก็คือปล่อยตัวให้กระแสน้ำพัดออกไปจะใช้ฝั่งจนกระทั่ง rip current อ่อนกำลังลงจากนั้นค่อยว่าอ้อมเข้าสู่ฝั่ง ซึ่ง rip current จะอ่อนกำลังลงในระยะที่ ไม่ไกลจากชายฝั่งมากนัก สิ่งที่สำคัญที่สุดที่ต้องจำ เมื่อคุณตกอยู่ใน rip current ก็คืออย่าตื่นตระหนก พยายามอย่าสำลักน้ำ และยกหัวให้พ้นน้ำ อย่าพยายามฝืนสู้ต้านแรงของน้ำ ตั้งสติและ ทำตามคำแนะนำข้างต้น