נהרות בתוך הים
האוקיינוס אף פעם אינו עומד. מול חופי פלורידה רצועה של מים חמימים וכחולים, ברוחב של כ־80 קילומטרים, זורמת צפונה במהירות של עד 2 m/s: זרם הגולף. הוא מוביל כ־30 מיליון מטרים מעוקבים של מים בכל שנייה, ואוסף עוד מים בדרכו, עד שבלב האוקיינוס האטלנטי הוא מוביל יותר מ־100 מיליון. אוקיינוגרפים סופרים זרימות כאלה בסברדרופים: 1 Sv הוא מיליון מטרים מעוקבים בשנייה. כל הנהרות בכדור הארץ יחד שופכים לים כ־1.2 Sv.
בנג׳מין פרנקלין הדפיס בשנות ה־70 של המאה ה־18 את אחת המפות הראשונות של זרם הגולף, אחרי שהבחין שספינות הדואר שהפליגו מערבה לאמריקה התעכבו בשבועיים יותר מספינות סוחר, שרבי החובלים שלהן ידעו להתרחק מהזרם.
מערבולות: זרמים שהרוח מניעה
את הזרמים שבפני הים, בכמה מאות המטרים העליונים, מניעה בעיקר הרוח. ליד קו המשווה רוחות הסחר דוחפות את המים מערבה, ובקווי הרוחב האמצעיים רוחות המערב דוחפות אותם מזרחה. היבשות חוסמות את הדרך, ולכן בכל אגן אוקיינוס המים מסתובבים בלולאה גדולה, מערבולת אוקיינית. בגלל אפקט קוריוליס מים בתנועה סוטים ימינה בחצי הכדור הצפוני ושמאלה בדרומי, ולכן המערבולות בצפון מסתובבות עם כיוון השעון ואלה שבדרום נגד כיוון השעון.
הלולאות אינן סימטריות. בצד המערבי של כל אוקיינוס הזרימה חוזרת בזרם מהיר וצר: זרם הגולף, זרם קורושיו מול יפן, וזרמי ברזיל, אגולהס ומזרח אוסטרליה. בצד המזרחי המים נסחפים בחזרה אל קו המשווה בזרמים רחבים, איטיים וקרים: זרמי האיים הקנריים, קליפורניה, בנגואלה והומבולדט. מסביב לאנטארקטיקה שום יבשת לא חוסמת את הדרך, והזרם המקיף את אנטארקטיקה זורם מסביב לכל כדור הארץ. זה הזרם הגדול ביותר בעולם, הרבה יותר מ־100 Sv.
נסו: בזרמי פני הים, עקבו אחרי הפסים הכתומים של זרם הגולף לאורך חופי צפון אמריקה ואל מעבר לאוקיינוס האטלנטי, ואחרי הפסים התכולים של זרם האיים הקנריים שחוזר דרומה לאורך אפריקה. כל פס בהיר ביותר בראשו, ולכן הוא מראה לאן המים זורמים.
מים חמים צפונה, מים קרים דרומה
המערבולות הן משאבות חום ענקיות. הזרמים המהירים בצד המערבי נושאים מים טרופיים חמים אל הקטבים, והזרמים בצד המזרחי מחזירים מים קרים. צפון האוקיינוס האטלנטי יוצא דופן: חלק ממי זרם הגולף אינם חוזרים. הם ממשיכים צפונה כזרם הצפון־אטלנטי, על פני אירלנד ונורווגיה אל ימי גרינלנד ונורווגיה, וחלקם אל ים לברדור. שם, בחורף, הם מוסרים את החום שלהם לאוויר קפוא. החום שהאוקיינוס האטלנטי מוביל צפונה בדרך הזאת הוא כ־1.2 פטה־ואט, בערך פי שישים מכל ההספק שהאנושות כולה משתמשת בו. זו אחת הסיבות לכך שהנמלים של נורווגיה אינם קופאים בחורף, בעוד שהים מול לברדור, באותו קו רוחב מעבר לאוקיינוס, קופא.
לאן מגיעים בסוף המים שזורמים צפונה, זה המפתח לשאר האוקיינוס.
מה גורם למים לשקוע
מים שוקעים מתחת למים קלים מהם, מאותה סיבה שאבן שוקעת בבריכה (ציפה וכוח הציפה): מה שקובע הוא הצפיפות, המסה של כל מטר מעוקב. מי ים נעשים צפופים יותר בשתי דרכים. מים קרים צפופים ממים חמים. מים מלוחים צפופים ממים מתוקים. מי ים בטמפרטורה של 1 °C, ובהם 35 גרם מלח בכל קילוגרם, מליחות רגילה, שוקלים כ־1028.1 קילוגרם למטר מעוקב; ב־20 °C אותם מים שוקלים 1024.8.
השניים אינם שווי משקל בכל מקום. במים חמים, קירור במעלה אחת מוסיף כ־0.27 קילוגרם למטר מעוקב. ליד נקודת הקיפאון מעלה מוסיפה רק כ־0.08, בעוד שגרם מלח נוסף לקילוגרם מוסיף כ־0.8, פי עשרה. לכן בימים הקוטביים המלח הוא שמחליט מה שוקע.
המליחות משתנה בכל מקום שבו מים נוספים או נלקחים. האידוי לוקח מים ומשאיר את המלח מאחור (ראו מחזור המים), ולכן האוקיינוס האטלנטי הסובטרופי, תחת שמיים יבשים ושמשיים, הוא מן הימים הפתוחים המלוחים ביותר בעולם. גשם, נהרות וקרח נמס מוסיפים מים מתוקים. כשמי ים קופאים, הקרח שומר מעט מאוד מהמלח, והמים שמסביבו נעשים מלוחים יותר.
התרשים שליד הסצנה הוא הדרך שבה אוקיינוגרפים משרטטים את זה: הטמפרטורה לאורך הצד, המליחות לאורך התחתית. כל עקומה אפורה מחברת מים בעלי אותה צפיפות, והעקומות תלולות בקצה הקר כי שם הטמפרטורה כמעט אינה משנה. הנקודה הכחולה היא מי השטח שהפרמטרים קובעים.
נסו: בחרו מי הפשרה במליחות, והנקודה זזה שמאלה אל מעבר לקו המקווקו, אל מחוץ לאזור המוצלל שבו המים צפופים מספיק כדי לשקוע.
שקיעה ליד הקטבים
המים שהזרם הצפון־אטלנטי מביא צפונה נעשו מלוחים באזורים הסובטרופיים. בחורף, בימי גרינלנד ולברדור, רוחות קפואות מקררות אותם עד מעלה או שתיים מעל נקודת הקיפאון. עכשיו הם צפופים מהמים שמתחתיהם, והם שוקעים, במקומות מסוימים לעומק של 2 עד 3 קילומטרים, ומתפשטים כמי העומק של צפון האטלנטי. בסצנה, המים של היום, ב־1 °C וב־35 g/kg, שוקלים 1028.1 קילוגרם למטר מעוקב. מי העומק שהם צריכים לשקוע דרכם, בכ־4 °C וב־34.9 g/kg, שוקלים 1027.8. ההפרש הקטן הזה מספיק.
מסביב לאנטארקטיקה מי הים קופאים בכל חורף לקרח ים, ומשאירים את המלח במים שמתחתיו. שם נוצרים המים הקרים והמלוחים ביותר באוקיינוס, והם גולשים במורד המדרון היבשתי עד הקרקעית ממש, כמי הקרקעית של אנטארקטיקה. הם זוחלים צפונה לאורך הקרקעית של כל אוקיינוס, מתחת למי צפון האטלנטי, ובאוקיינוס האטלנטי הם מגיעים עד קו רוחב 40° צפון בערך, קו הרוחב של ניו יורק.
נסו: התקדמו במעקב אחר הלולאה העמוקה אל שקיעה. הים נעשה שקוף, ומים מסתחררים כלפי מטה מתחת למערבולות בשני קצות האוקיינוס האטלנטי. העלו את טמפרטורת המים לחורף מתון, ב־4 °C: המים בקושי צפופים ממי העומק, והם שוקעים לאט. מעל 4.7 °C בערך השקיעה נעצרת. אחר כך חזרו להיום והורידו במקום זה את המליחות: מתחת ל־34.5 g/kg בערך היא נעצרת. חצי גרם מלח עושה את מה שעושה התחממות של כמעט ארבע מעלות.
לולאת ההיפוך
מים ששוקעים צריכים להגיע לאנשהו, ומים צריכים לזרום פנימה בפני הים כדי לתפוס את מקומם. השקיעה בצפון מושכת מים חמים מפני הים במעלה האוקיינוס האטלנטי, ודוחפת את מי העומק דרומה לאורך הצד המערבי של האוקיינוס, עד האוקיינוס הדרומי. שם הם מצטרפים לזרימה המקיפה את אנטארקטיקה ומתפשטים אל האוקיינוס ההודי והאוקיינוס השקט. רוחות מערב חזקות מסביב לאנטארקטיקה דוחפות את מי השטח צפונה, ומי עומק עולים לתפוס את מקומם. במקומות אחרים מי העומק עולים לאט, מעורבבים כלפי מעלה במשך מאות שנים. בחזרה בפני הים הם מתחממים, וחוזרים דרך הימים של אינדונזיה ומסביב לקצה אפריקה, או מזרחה מסביב לדרום אמריקה, אל האוקיינוס האטלנטי.
הזרימה העולמית האיטית הזאת היא זרימת ההיפוך, שנקראת גם הזרימה התרמוהלינית (מיוונית: חום ומלח), או המסוע של האוקיינוס. סיבוב שלם נמשך כאלף שנה. חלק מהמים בקרקעית צפון האוקיינוס השקט נגעו באוויר לאחרונה בימים שבהם הוויקינגים הפליגו באוקיינוס האטלנטי. מאז 2004 שורה של מכשירים מעוגנים לרוחב האוקיינוס האטלנטי, בקו רוחב 26° צפון, מודדת את החלק האטלנטי שלה: כ־17 Sv שזורמים צפונה סמוך לפני הים וחוזרים דרומה במעמקים.
נסו: התקדמו במעקב אחר הלולאה העמוקה אל הלולאה העמוקה, וצפו במי העומק הכחולים מתפשטים דרומה מהמערבולות שבצפון, ובמי הקרקעית הסגולים זוחלים בכיוון ההפוך מתחתם. אחר כך גררו את הגלובוס כדי לעקוב אחרי מי העומק אל האוקיינוס השקט.
האם היא יכולה להאט?
כל מה שהופך את מי השטח בצפון לקלים יותר מחליש את השקיעה. אקלים חם יותר (ראו אקלים) מביא את שניהם: מים חמים יותר, ויותר מים מתוקים מגשם, מנהרות ומהמסה של מעטה הקרח של גרינלנד. מודלים של האקלים צופים שזרימת ההיפוך האטלנטית תיחלש במהלך המאה הזאת; בכמה, והאם היא עלולה להיעצר לגמרי, עדיין שנוי במחלוקת.
זה כבר קרה בעבר. כשעידן הקרח האחרון הסתיים, לפני כ־12,900 שנה, האזורים שמסביב לצפון האוקיינוס האטלנטי צללו בחזרה לקור כמעט קרחוני למשך כ־1,200 שנה, תקופה שנקראת הדריאס הצעיר. ההסבר המקובל ביותר הוא ששטפונות של מי הפשרה ממעטות הקרח הנסוגות של צפון אמריקה המתיקו את צפון האוקיינוס האטלנטי והאטו את זרימת ההיפוך. בקנה מידה קטן יותר, בסוף שנות ה־60 ובשנות ה־70 של המאה העשרים נדד גוש של מים מתוקים יותר מסביב לצפון הרחוק של האוקיינוס האטלנטי, ובמשך כמה חורפים השקיעה העמוקה בים לברדור נחלשה.
נסו: בהלולאה העמוקה, בחרו מי הפשרה. השקיעה בצפון נעצרת, הענף החם שזורם צפונה דועך, ומי העומק הכחולים מפסיקים לזרום, בעוד שהמים ליד אנטארקטיקה ממשיכים לשקוע.
לא כל השינויים באוקיינוס איטיים כל כך. אחת לכמה שנים מי השטח החמים של האוקיינוס השקט הטרופי נעים מזרחה באל ניניו, ומזיזים גשם ובצורת ברחבי העולם בתוך חודשים, וזה כבר סיפור בפני עצמו.
מה המודל הזה משמיט
הזרמים עוקבים אחרי מסלולים קבועים שצוירו ביד. זרמים אמיתיים מתפתלים, משילים מערבולות ברוחב מאות קילומטרים, משתנים עם עונות השנה, ובצפון האוקיינוס ההודי מתהפכים עם המונסון. הזרמים שהרוח מניעה אינם משתנים כאן עם הפרמטרים, אף שהזרם הצפון־אטלנטי ניזון בחלקו מזרימת ההיפוך, ולכן הוא דועך כשהשקיעה נעצרת.
צפיפות מי הים מחושבת ממשוואה פשוטה, שסוטה מהאמיתית בכמה עשיריות קילוגרם למטר מעוקב לכל היותר על פני השטח. היא מתעלמת מהלחץ, שדוחס מים קרים קצת יותר ממים חמים, וכך הופך את מי הקרקעית של אנטארקטיקה לצפופים ביותר במעמקים. למי העומק יש תכונות קבועות, וחוזק זרימת ההיפוך הוא כלל אצבע: פרופורציוני להפרש בין צפיפות מי השטח לצפיפות מי העומק כשההפרש קטן, מתייצב לקראת 30 Sv, ומכויל כך שהמים של היום נותנים 17 Sv. החום שהיא מובילה צפונה מניח שהמים הזורמים צפונה מגיעים ב־18 °C. השקיעה ליד אנטארקטיקה אינה מגיבה לפרמטרים כלל.
בסצנה זרימת ההיפוך מגיבה מיד. האוקיינוס האמיתי מסתגל במשך עשרות עד מאות שנים, ומודלים פשוטים של הלולאה יכולים לעבור בין מצב חזק למצב חלש, כך שהדרך חזרה אינה הדרך הלוך. למודל הזה אין זיכרון כזה. האוקיינוס מצויר עמוק פי מאתיים בערך מהמציאות, מי העומק שעולים מוצגים בכמה מקומות בלבד אף שבאמת הם עולים על פני שטחים רחבים, והפסים נעים מהר פי אלפים רבים מהמים.