Alles aastaid hiljem magistrantuuris, kui spetsialiseerusin merefüüsikale, sain teada, mis oli tegelikult juhtunud. Nähtusel, mida meie küll omal ajal heaks lapseks ei oleks nimetanud, on Eesti keeles mitu nime. Süvavee kerge või pindumine või apvelling (inglise upwelling) tähendab tuule poolt põhjustatud veemasside liikumist, mille käigus põhjas olev külm ja toitainerikas vesi pinnakihtidesse kerkib.
Süvavee kerget on mitut liiki. Enam on uuritud rannikuäärse süvavee kerget, kuna see mõjutab kõige otsesemalt inimtegevust, olgu siis puhkajate ujumisvõimalusi või näiteks kalamajandust. Nimelt on sügavamad veekihid tänu põhja poole vajunud surnud orgaanikale märksa toitainerikkamad kui pindmised. Kui selline vesi uuesti pinnale tõuseb, siis hakkab fütoplanktoni, süsinikdioksiidi ja valguse koosmõjul toimuma intensiivne fotosüntees. Et fütoplankton on toiduahela aluseks, on tulemuseks väga kalarikkad piirkonnad. Just süvavee kerge põhjustab Peruu, Tšiili, Lõuna-Aafrika idaosa, Uus-Meremaa lääneosa ja California rannikualade kalarohkust.
Lükkab liikuma
Süvavee pindumist soodustab tuul, mis puhub kaldaga paralleelselt. Kui selline tuule suund püsib mõnda aega, mõnest tunnist kuni paari päevani, siis hakkab vesi liikuma. See liikumine kulgeb põhjapoolkeral selliselt, et tuulest vasakule jäävalt kaldalt liigub pinnal olev vesi tuule suunaga risti kaldast eemale ning selle asemele kerkib põhjast üles külm ja toitainerikas vesi (joonis 1 trükinumbris). Kuidas paneb piki kallast puhuv tuul vee liikuma tuule suunaga risti? Nähtuse olemuse selgitamiseks on vaja teada, mis on Coriolisi efekt.
Coriolisi efekt ehk Coriolisi jõud on "jõud", mis näiliselt mõjub liikuvale kehale pöörlevas taustsüsteemis. Coriolisi jõudu saab selgitada nelja füüsikalise printsiibi kaudu.
1. Newtoni esimene seadus. Liikuv keha säilitab oma kiiruse seni, kuni talle ei mõju teisi jõude. Kiiruse vektorkomponent ei muutu, kui talle mõjub vektoriga risti olev jõud.
2. Maa on sfäärikujuline. Laiuskraadide vahe on erinevatel pikkuskraadidel erinev.
3. Gravitatsioon - maa gravitatsiooniväljas olev objekt kukub Maa massikeskme suunas; ja selle tulemusena tiirleb ümber selle.
4. Jõud on asi, mida võib defineerida kui midagi, mis muudab massi tema kiirendust muutmata.
Enamik inimesi tõlgendab jõudu kui "midagi, mis mõjub millelegi kuidagi". Coriolisi jõud pole jõud eespool toodud loetelu esimeses tähenduses, vaid tuleneb teisest printsiibist. Coriolisi jõu mõjul ei lükka ega tõmba keegi midagi. Kiirendus tekib sellest, et vaatleja pöörleb koos maakeraga (joonis 2 trükinumbris).
Nimelt liiguvad kõik punktid maakeral sama nurkkiirusega, st teevad ühe päevaga ära täisringi. Samas võib nende punktide lineaarne kiirus olla väga erinev - ekvaatori lähedal olev punkt võib liikuda tuhandeid miile tunnis, samas kui pooluse juures olev punkt liigub mõni kilomeeter tunnis.
Tavaliselt maapinnaga ühenduses olev punkt liigub sama kiirusega kui tema all olev maapind, mistõttu Coriolisi efektil pole inimesele märgatavat mõju maapinnal. See punkt, kust sa ära astud, ja see punkt, kuhu sa astud, on liiga lähedal teineteisele, et kiiruse erinevus oleks märgatav.
Ent kui objekt liigub põhjast lõunasse ja pole kindlalt maa küljes kinni, nagu õhk, vesi, kahurikuul, lennuk jne, siis ta säilitab liikudes oma algse idasuunalise kiiruse (Newtoni esimene seadus), seni kui mingi jõud ta kiirust muudab. Hakates ekvaatori juurest põhja poole liikuma, liigub keha sama kiirusega kui maapind tema all, ent olles jõudnud ekvaatorist kaugele eemale, on keha idasuunaline kiirus jäänud samaks, kuid konkreetne maapind, mis nüüd objekti all on, liigub teise kiirusega. Tulemuseks on, et keha, mis liigub ekvaatorist eemale, liigub lõpuks ida suunas palju kiiremini kui tema all olev maapind. Ning tundub, nagu oleks keha algne liikumiskiirus mingi müstilise "jõu" tõttu kasvanud. Ekvaatori poole liikuvad kehad tunduvad lõpuks liikuvat aeglasemalt ja seega tundub, nagu "surutaks" neid läände. Tegelikult ei ole rakendatud mingit lisajõudu, lihtsalt maapind keha all liigub teise kiirusega kui "kodu maapind".
Kõige selle tulemusena jätab keha, mis Maa peal liigub sirgjooneliselt ja kiirenduseta, kaardile tegelikult kõverjoonelise trajektoori (kuna vaatleja liigub ringjooneliselt). Põhjapoolkeral on see trajektoor kaldu paremale ja lõunapoolkeral vasakule. Ekvaatoril liikuvale kehale Coriolisi jõud ei mõju.
Coriolisi jõud on see, mis loob aluse maakeral valitsevate tuulte ja hoovuste süsteemile. Samuti põhjustab see Maa poolustele lähematel aladel jõgede kallaste uhtumist erineva tugevusega - nähtus, mida kirjeldab Baeri-Babinet' seadus. Selline mõju on eriti tugev meridiaanidega paralleelsetel või nende suhtes väikese nurga all voolavatel jõgedel. Ookeani pinnavee trajektoori kallutab Coriolisi jõud põhjatuule suunast vasakule ja lõunatuule suunast paremale. Konkreetse kalde nurk sõltub laiuskraadist: ekvaatoril vesi kõrvale ei kaldu, keskmistel laiuskraadidel kaldub vähem ja poolustel kõige rohkem.
Vannivee äravoolu katse
Kooliõpetajad armastavad õpilaste tähelepanu köitmiseks tuua illustreeriva näite, väites, et põhjapoolkeral vannivee teelt korki ära tõmmates voolab vesi ära päripäeva, samas kui lõunapoolkeral toimub see vastupäeva. Nähtuse põhjuseks olevat Coriolisi jõud. Väidet on lihtne kontrollida. Paraku on tõenäone, et noor eksperimentaator, kes on võtnud nõuks õpetaja sõnad proovile panna, leiab, et tulemusena võib vesi ära voolata nii päri- kui vastupäeva.
Coriolisi jõu tugevus sõltub laiuskraadist, kus asutakse, voolu kiirusest, mis vannis on tavaliselt 1 m/s, ja sellest, kui suure hulga veega on tegemist - vanni puhul tavaliselt vaid paarisaja liitriga. Seega on Coriolisi jõud koduses vannitoas paratamatult väga väike. Kuid teisi jõude, mis äravoolavat vett mõjutavad, on palju, nende hulgast mõningaid ära märkides: vanni ebasümmeetria ja näiteks ka vee suund vanni täitumisel, sest väga pikka aega pärast seda, kui vesi inimese silmale tundub juba paigal seisvat, on tal ikka veel vanni täitumise suunast tingitud liikumine sees. Samuti mõjutab vett vannitoa õhutemperatuurist tingitud konvektsioon jne. Igaüks neist jõududest on tavaliselt suurem kui vanniveele mõjuv Coriolisi jõud.
Ühesõnaga - kui su vann ei ole just väikese mere suurune, ära süüdista Coriolisi jõudu, kui sinu vannist voolab vesi ära "valet" pidi.
Ekmani triivhoovus
Teine oluline nähtus, mis seisab vee pindumise taga, on Ekmani triivhoovus (joonis 3 trükinumbris).
Ekmani triivhoovus on tuule poolt põhjustatud vee liikumine. Ekmani hoovus tekib piisavalt suure avamere korral, kus ei teki vee kuhjumist, ja kui puhub ühtlane tuul.
Idealiseeritud juhul, kui horisontaalset veepinna liikumist tekitab ainult tuul, vees ei ole erineva tihedusega piirkondadest tingitud liikumist ja mere sügavus on vähemalt mõnisada meetrit, liigub pindmine veekiht Coriolisi jõu mõjul 45 kraadi paremale sellest suunast, kuhu puhub tuul. Tegelikkuses pole need tingimused küll alati täidetud ja vee kaldumise nurk võib olla mõnevõrra erinev.
Ekmani hoovuse mõju selgitamiseks mõtleme ookeanist kui õhukestest, horisontaalsetest, üksteise peal asuvatest veekihtidest (joonis 4 trükinumbris). Merepinna kohal puhuva tuule mõjul hakkab kõige pindmine kiht liikuma ning tänu Coriolisi efektile kaldub vee mass põhjapoolkeral tuule liikumise suunast paremale - ligikaudu 45-kraadise nurga võrra. Pindmine veekiht tõmbab sisehõõrde tõttu liikuma vahetult tema all oleva veekihi. Hõõrdumise tõttu on selle kihi kiirus pisut väiksem pinnakihi kiirusest. Coriolisi jõu tõttu on liikumise suund omakorda pealmise kihi liikumissuunast paremale kallutatud. See kiht omakorda paneb liikuma enda all oleva järgmise kihi jne. Kuna iga järgnev kiht liigub eelmise kihi suhtes kaldu, on mõnekümne meetri sügavusel veekihi liikumine pinnahoovuse liikumisele vastassuunaline. Kiirus on selleks ajaks vähenenud ligikaudu 23 korda. Ligikaudu 100 meetri sügavusel liigub vesi jälle pinnakihiga paralleelselt. Ekmani kihi paksus on umbes 100 meetrit. Ekmani kihist sügavamal asub n-ö geostroofiline kiht, milles keeriseid praktiliselt pole.
Coriolisi ja Ekmani summa
Lõppkokkuvõttes liigubki vesi tuule mõjul tuulega risti: põhjapoolkeral 90° nurga võrra paremale ja lõunapoolkeral vasakule.
Seega - kui tuul puhub piki kallast, siis hakkab kalda lähedal olev veemass liikuma kaldast eemale. Ära liikunud vee asemele kerkib aga põhjast pinnale uus vesi.
Kõige lihtsamalt lubabki süvavee pindumist fikseerida veepinna temperatuuri kiire langus, mis vahel on isegi 10-15 kraadi 6-10 tunni jooksul. Sündmus on tänapäeval hästi vaadeldav satelliitide pinnatemperatuuri piltidelt.
Erinevalt paljudest teistest ookeaniga ja meredega seotud nähtustest mõjutab süvavee kerge tihti otseselt ka tavainimest. Seda on omal nahal kogenud mõnigi suvitaja ka Eestis. Selleks, et Soome lahe Eesti-poolsel kaldal tekiks süvavee kerge, peab püsima mõnda aega stabiilne idatuul. Samal ajal vajub Soome-poolsel kaldal pinnavesi tavaliselt põhja ja seal tekib n-ö pinnavee süvistumine. Kui soodne tuul püsib, võib paari päeva jooksul üles kerkinud külm vesi katta suure osa Soome lahe pindalast.
EDITH SOOSAAR (1980) on omandanud bakalaureuse- ja magistrikraadi Tallinna Tehnikaülikoolis tehnilise füüsika erialal. Hetkel õpib doktorantuuris TTÜ maateaduste osakonnas. Uurinud jää modelleerimist Pärnu lahes ja süvavee pindumise modelleerimist Soome lahes. Saanud 2006. aastal Eesti Teaduste Akadeemia II auhinna üliõpilaste parima teadustöö konkursil.
