Ekmanspiraler och Ekmanpumpning

Friktionen dämpar luftens och vattnets rörelser på ett sätt som skapar intressanta och viktiga rörelsesystem, som t.ex. ”Ekmanspiralerna” vilka upptäcktes kring 1905.

1905 var ett omtumlande år, inte bara med revolution i Tsarryssland och norsk-svensk unionsupplösning utan också med publicerandet av Albert Einsteins revolutionerande teorier. Även inom meteorologin och oceanografin ifrågasattes gamla idéer.

Den svenske oceanografen Vagn Walfrid Ekman lanserade detta år en teori som stred, inte bara mot vedertagna uppfattningar utan också, som god vetenskap ofta gör, mot sunt förnuft.

Norrmannen Nansens funderingar

Det hela var från början inte en svensk, utan en norsk idé. Året 1893 stävade den norske upptäcktsresanden Fritjof Nansen (1861-1930) genom ismassorna i Norra Ishavet ombord på det specialbyggda fartyget ”Fram”.

Nansen var en ansedd vetenskapsman och god observatör. Uppe i de arktiska haven kunde han iakttaga att isberg inte drev med vinden utan med en 20-40 graders vinkel – åt höger. Nansen antog att rörelsen hängde samman med jordrotationens avlänkande inverkan, som ju är åt höger på norra halvklotet.

Men Nansen tänkte lite djupare än så, i dubbel bemärkelse. När vinden genom friktion mot havsytan driver vattnet i det översta skiktet lite åt höger, kommer detta vattenskikt i sin tur, genom den interna friktionen, att driva nästa underliggande skikt ytterligare åt höger, och det i sin tur underliggande skikt och så vidare.

Vindens rörelse sprids på detta sätt neråt i havet i en allt mer ökande avvikelse tills vattnet vid något djup till och med kan komma att röra sig i motsatt riktning mot vinden.

Ekman förklarade fenomenet

Den fullständiga förklaringen fick Nansen först sedan han framlagt sina observationer för sin landsman Vilhelm Bjerknes (1862-1951), professor i fysik vid Stockholms Högskola. Denne i sin tur hänsköt problemet till en av sina unga studenter, Vagn Walfrid Ekman (1874-1954).

Ekman kunde bekräfta Nansens hypotes i ekvationer som suggestivt beskrev hur jordrotationens avlänkande verkan vred rörelsen neråt i havsdjupet i en konvergerande spiral, det som senare fick namnet ”Ekmanspiral”.

Idag talar man både i svensk och i internationell forskning om ”Ekmanskiktet” där denna effekt är mätbar. Men uppskattningen av Ekmans arbete satt hårt åt. Hans resultat blev kraftigt ifrågasatta och skapade lika mycket debatt inom oceanografiska och meteorologiska kretsar som Albert Einsteins artiklar samma år inom fysiken.

Ekmans (eller egentligen Nansens) slutsatser stred mot den då förhärskande synen att havsströmmarna inte var påverkade av jordrotationen, och att de hade samma riktning från havsytan till botten.

Ekmans arv

Hur högt ovanför jordytan Ekmanskiktet sträcker sig bestäms inte bara av den turbulens som underlagets skrovlighet kan orsaka utan också av temperaturfördelningen i skiktet samt, något överraskande, jordrotationens inverkan.

Corioliseffektens allmänna förmåga att begränsa alla luftströmningar ger sig också här tillkänna. I havet begränsar den i vertikal led verkan av vinden, i atmosfären det vertikala luftutbytet.

Ekmans namn är förknippat med fler fenomen och mekanismer än svensken Rossbys, som också har givit namn till många vetenskapliga begrepp. I artikeln Tropikernas cirkulation visade vi hur passadvindarna via jordrotationens inverkan pressar upp kallt djupvatten längs ekvatorn i östra Stilla havet.

Detta kallas på vetenskapsspråk för ”Ekmanpumpning” eller ”Ekmantransport”, trots att det egentligen beror på ”Corioliseffekten”. Det finns också ett "Ekmannummer" och de som känner sig osäkra på corioliseffektens högervridande egenskaper kan tryggt hänvisa till "Ekmanvridning" (Ekman veering).