Olbrzymie wiry w oceanie jak kosmiczne czarne dziury. Połykają i nie wypuszczają

Na nasz klimat wpływają po części ogromne wiry o nawet 150-kilometrowych średnicach, które dryfują przez oceany. Ich liczba rośnie zwłaszcza na Oceanie Południowym (Antarktycznym), zwiększając przepływ na północ ciepłej wody. Co ważne, ten proces może łagodzić negatywny wpływ topnienia lodu morskiego na ocieplanie klimatu.

Jednak naukowcy do tej pory nie byli w stanie tego dokładnie wyjaśnić ani ocenić wpływu tych zjawisk. Dlaczego? Po prostu dokładne granice tych wirujących obiektów pozostawały niewykrywalne. Rozwiązanie tego problemu znaleźli George Haller, profesor dynamiki nieliniowej na Politechnice Federalnej w Zurychu, i Francisco Beron-Vera, profesor oceanografii na Uniwersytecie w Miami.

Opracowali oni matematyczną metodę odnajdywania transportujących wodę wirów o spójnych granicach. Opisują ją w artykule opublikowanym w czasopiśmie "Journal of Fluid Mechanics".

Wynajdywanie takich wirów polega na wskazaniu spójnych wodnych wysp w burzliwym oceanie. Ruch wirujących i dryfujących płynów może się wydawać chaotyczny dla obserwatora. Haller i Beron-Vera wyłonili z tego chaosu pewien porządek, za pomocą swojej metody wyodrębniając spójne wyspy wodne na zdjęciach satelitarnych oceanu. Ku swojemu zaskoczeniu odkryli, że pod względem matematycznym oceaniczne wiry są odpowiednikami kosmicznych czarnych dziur.

Czarne dziury są obiektami o tak potężnych masach, że przyciągają wszystko, co znajdzie się w pewnej odległości od nich. Cokolwiek przybliży się zbyt mocno, nie może już uciec od czarnej dziury - nawet światło.

Jednak istnieje taka odległość od czarnej dziury, w której fotony ani nie wpadają do jej wnętrza, ani nie są w stanie wydostać się spod jej oddziaływania grawitacyjnego. Wiązka światła nie wpada wtedy do czarnej dziury, lecz ugina się, tworząc orbitę kołową. Bariera utworzona przez powierzchnię takich zamkniętych świetlnych orbit w teorii względności Einsteina nazywana jest orbitą fotonową.

Podobne zjawisko Haller i Beron-Vera zaobserwowali wokół niektórych oceanicznych wirów. Cząsteczki wody poruszały się w nich po zamkniętych pętlach - analogicznie jak fotony wokół czarnych dziur. Na dodatek okazało się, że z tych wodnych pętli również nic nie mogło uciec - nawet woda. Według Hallera fakt istnienia takich barier "wydzielających" spójne wodne wyspy jest zaskakujący.

Właśnie stabilność tych wirów będących wodnymi odpowiednikami czarnych dziur sprawia, że działają one jak olbrzymie transportowce. Przenoszą na duże odległości mikroorganizmy takie jak plankton, ale też inne obiekty - plastikowe śmieci czy wylaną ropę, a także ciepło i sól, których poziom wewnątrz takiego wiru może się różnić od warunków w otaczającym go oceanie.

Badacze potwierdzili to, analizując tzw. Pierścienie Agulhas - grupę oceanicznych wirów, które pojawiają się regularnie w Oceanie Południowym, u południowego krańca Afryki, i transportują na północny zachód ciepłą, słoną wodę. Odkryli, ze siedem z Pierścieni to właśnie odpowiedniki czarnych dziur, które przez prawie rok przenosiły te same masy wody.

Według Hallera z podobnie zachowującymi się wirami mamy do czynienia nie tylko w środowisku wodnym. Za zbliżone do czarnych dziur można również uznać niektóre wiry powietrzne. Spektakularnym przykładem takiego zjawiska spoza Ziemi może być Wielka Czerwona Plama (Great Red Spot) - stacjonarna burza na Jowiszu.

Chociaż matematycy od dawna starali się zrozumieć fenomen spójnego wiru w chaotycznym przepływie cząsteczek, pierwszą osobą , która opisała go jako rodzaj spójnej wyspy wodnej, był amerykański pisarz Edgar Allan Poe. Swoją wizję takiego zjawiska przedstawił w noweli "W bezdni Maelströmu". To właśnie ona zainspirowała Hallera i Beron-Verę do odszukania przy użyciu zaawansowanych matematycznych formuł wodnych odpowiedników orbity fotonowej.

Ich odkrycie i badania mają pomóc w rozwiązaniu wielu oceanicznych zagadek - począwszy od pytań związanych z klimatem po modele rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń.

Autor: js/mj / Źródło: phys.org