Huvudinnehåll

Utforska ett ämne i kunskapsbanken

Meteorologi

Faktapaket: Artikelserie från Väder och Vatten om atmosfärens allmänna cirkulation

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.

Den här artikeln är en del av en artikelserie skriven av Anders Persson som var meteorolog på SMHI. Artikeln publicerades i Månadens Väder och Vatten 9/2005.

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.

Porträttbild på Vagn Walfrid Ekman från 1902.

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.

Ekmanspiral i luft och hav.

Ekmanspiral i luft och hav. Pilarna anger vindens (gröna) respektive vattnets (blå) rörelser. På grund av friktion mot jordytan försvagas vinden och med den corioliskraften. Det medför att vinden vrider åt vänster mot lägre lufttryck. Vinden närmast havsytan driver vattnet i det översta skiktet, men när denna rörelse fortplantas neråt i vattnet avlänkas den åt höger på grund av jordrotationen.

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).

Mer i detta faktapaket

  • Meteorologi

    Artikelserie från Väder och Vatten om atmosfärens allmänna cirkulation

    I en artikelserie i SMHIs månatliga tidskrift Väder och Vatten beskrevs luftens och vattnets rörelser från sjöbris till monsun, från tidvatten till...

  • Artikelserie från Väder och Vatten om atmosfärens allmänna cirkulation

    Norra polcirkeln soligast i världen

    Solen är källan till all energi och allt liv och rörelse på jorden. Om någonstans så märks det i Lappland under somrarna när växtligheten fullständ...

  • Artikelserie från Väder och Vatten om atmosfärens allmänna cirkulation

    Kall snö strålar värme

    Latituden och årstiden bestämmer hur koncentrerat solljuset blir. Står solen 45° över horisonten fördelas den inkommande solstrålningen på en yta s...

  • Artikelserie från Väder och Vatten om atmosfärens allmänna cirkulation

    Solen värmer jorden - jorden värmer atmosfären

    Att det är den upphettade jordytan och inte solens strålar som värmer upp atmosfären visar sig bland annat under klara morgnar, då temperaturen kan...

  • Artikelserie från Väder och Vatten om atmosfärens allmänna cirkulation

    Från sjöbris till monsun

    Genom omblandning fördelas värme mellan de upphettade tropikerna och de avkylda polarregionerna över större områden i atmosfären. Men omblandningen...

  • Artikelserie från Väder och Vatten om atmosfärens allmänna cirkulation

    Den förunderliga corioliseffekten

    När temperaturskillnader jämnas ut genom att varm luft förs mot kallare nejder, och kall luft mot varmare, sker det inte utan motstånd. Jordrotatio...

  • Artikelserie från Väder och Vatten om atmosfärens allmänna cirkulation

    Jordrotationens yllemösse-effekt

    Effekten av jordens rotation, den så kallade corioliseffekten, är att varje rörelse böjs av i rät vinkel åt höger på norra halvklotet och åt vänste...

  • Artikelserie från Väder och Vatten om atmosfärens allmänna cirkulation

    Den subtropiska Midgårdsormen

    Som en Midgårdsorm slingrar sig den subtropiska jetströmmen runt jorden på cirka 30° latitud. Det är det kraftigaste och mest omfattande vindsystem...

Relaterade faktapaket

Stormig himmel  med moln

Atmosfärens cirkulation

Havsmiljö

Storskalig oceanografi

En blek sol strålar genom morgondimma.

Strålning