Powierzchnia oceanu nie jest idealnie równa nawet bez fal
Gdyby usunąć fale, pływy i pogodę, ocean wciąż nie utworzyłby idealnej kuli ani płaskiej „poziomicy” wokół Ziemi. Nierównomierny rozkład masy wewnątrz planety powoduje różnice pola grawitacyjnego, a spoczynkowa powierzchnia oceanu dopasowuje się do falistej powierzchni zwanej geoidą. Na tę geoidę nakłada się dynamiczna topografia oceanu: prądy, temperatura, zasolenie, wiatr i ciśnienie tworzą dodatkowe wzgórza i doliny, które satelity potrafią mierzyć z kosmosu. „Poziom” oceanu jest falistą powierzchnią. Geoid odzwierciedla nierównomierne pole grawitacyjne Ziemi, a prądy i różnice gęstości tworzą na nim dodatkową dynamiczną topografię mierzalną przez satelity.
Najpierw geoid: „poziom” wyznaczany przez grawitację
NOAA definiuje geoidę jako powierzchnię ekwipotencjalną pola grawitacyjnego Ziemi, która najlepiej odpowiada globalnemu średniemu poziomowi morza. Ponieważ masa planety nie jest rozmieszczona idealnie symetrycznie, siła grawitacji nie jest wszędzie identyczna. Gdyby usunąć prądy i pływy, woda ułożyłaby się na gładkiej, lecz pofalowanej geoidzie.
Dlaczego „wyżej” nie zawsze znaczy pod górę
Na zwykłej mapie wysokości moglibyśmy uznać większy promień od środka Ziemi za wzgórze, z którego woda powinna spływać. Jednak w oceanie kierunek „w dół” wyznacza lokalne pole grawitacyjne. Powierzchnia geoidy jest właśnie tak skonstruowana, że woda w spoczynku nie ma powodu płynąć po niej w jednym kierunku mimo różnic odległości od środka planety.
Prądy tworzą dodatkową topografię
Rzeczywista powierzchnia oceanu odchyla się od geoidy. NASA/JPL definiuje ocean surface topography jako wysokość powierzchni względem poziomu spoczynku wyznaczonego przez geoidę. Prądy, pływy, fale i ciśnienie atmosferyczne zmieniają tę wysokość. Po usunięciu krótkookresowych efektów pozostaje dynamiczna topografia silnie związana z cyrkulacją.
Wzgórze wody może utrzymywać prąd
Na dużych skalach poziomy gradient ciśnienia wynikający z nachylenia powierzchni może być równoważony przez efekt Coriolisa. Wtedy prąd płynie w przybliżeniu wzdłuż konturów wysokości zamiast po prostu z najwyższego punktu do najniższego. To oceaniczny odpowiednik sytuacji, w której wiatr na mapie pogody często biegnie wzdłuż izobar.
Jak satelita mierzy coś tak subtelnego
Altimetr radarowy wysyła impuls mikrofalowy w stronę powierzchni i mierzy czas jego powrotu. Znając bardzo dokładnie orbitę satelity, można obliczyć wysokość morza względem układu odniesienia. Do interpretacji potrzebny jest precyzyjny model geoidy oraz poprawki m.in. na atmosferę i pływy. Z wielu przelotów powstają globalne mapy wysokości powierzchni.
Dlaczego oceanografowie chcą znać te „pagórki”
NOAA CoastWatch wykorzystuje wysokość powierzchni m.in. do wyznaczania anomalii poziomu morza, geostroficznych prądów i śledzenia wirów. Ciepłe wiry często dają lokalne podwyższenie powierzchni, a chłodne — obniżenie, choć szczegóły zależą od ich struktury. Satelita może więc wykrywać dynamikę niewidoczną na zwykłym zdjęciu oceanu.
Dwa rodzaje nierówności, których nie wolno mieszać
Geoid jest przede wszystkim skutkiem pola grawitacyjnego i stanowi powierzchnię odniesienia. Dynamiczna topografia to odchylenie rzeczywistego oceanu od tego odniesienia wskutek jego ruchu i struktury. Dopiero ich rozdzielenie pozwala zrozumieć, dlaczego „poziom morza” nie jest jedną gładką wysokością i jak z jego kształtu odczytuje się prądy.
Różnica skali między geoidą a dynamiczną topografią jest również pouczająca. Geoid może odchylać się od prostego elipsoidalnego modelu Ziemi o dziesiątki metrów, podczas gdy interesujące oceanografów odchylenia związane z dużymi prądami mają skalę rzędu metrów lub mniejszą. Aby zobaczyć dynamikę, trzeba więc bardzo dokładnie znać większy „statyczny” sygnał grawitacyjny i go odjąć. Rozwój satelitarnej geodezji i altimetrii był dlatego kluczowy dla mapowania cyrkulacji z kosmosu. Gdy referencja jest znana, nachylenie powierzchni przestaje być tylko geometryczną ciekawostką: poprzez równowagę geostroficzną można z niego wyprowadzać prędkość i kierunek przepływu. Precyzyjny pomiar wysokości staje się więc pośrednim pomiarem ruchu wody.