Παραδόσεις μαθήματος (Αίθουσα Εργαστηρίου)

Transcript

1

2 Παραδόσεις μαθήματος (Αίθουσα Εργαστηρίου) (13 εβδομάδες-τρίτη 14:00-16:00 & Παρασκευή 09:00-11:00) Οπτικοακουστικό υλικό «Ωκεάνια και άλλα σχετικά ατμοσφαιρικά φαινόμενα καθώς φαίνονται από Δορυφόρους» «Μέθοδοι και όργανα της Ωκεανογραφίας»

3 Ύλη μαθήματος Εισαγωγή ΜΕΡΟΣ ΠΡΩΤΟ Κεφάλαιο 1: Σύνθεση Φυσικές και Χημικές Ιδιότητες του θαλάσσιου νερού Κεφάλαιο 2: Τα κύματα Κεφάλαιο 3: Τα θαλάσσια ρεύματα Κεφάλαιο 4: Παλίρροιες Ενέργεια από τα κύματα Κεφάλαιο 5: NAO ENSO

4 Λεοντάρη Σ., 1992 : Εισαγωγή στην Ωκεανογραφία. Mellor, G., 1996: Introduction to Physical Oceanography. Knauss, J., 1978: Introduction to Physical Oceanography. Kinsman, J., 1978: Wind waves-their Generation and propagation on the Ocean Surface. Neil, W., 1998: The Atmosphere and Ocean. Pickard, G., and W. J. Emery 1990: Descriptive Physical Oceanography: An Introduction.

5 ΠΜΣ «ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑΣ-ΚΛΙΜΑΤΟΛΟΓΙΑΣ & ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΥ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ» ΜΑΘΗΜΑ «ΦΥΣΙΚΗ ΩΚΕΑΝΟΓΡΑΦΙΑ»

6 Φυσική Ωκεανογραφία: Η ειδικότητα της επιστήμης της Ωκεανογραφίας που επικαλούμενη φυσικές μεθόδους προσπαθεί να επιλύσει ένα ορισμένο αριθμό προβλημάτων που αφορούν τις φυσικές ιδιότητες του θαλάσσιου νερού, τις κινήσεις των υγρών μορίων, τα κύματα, τα ρεύματα και τις παλίρροιες, από τα οποία αποτελείται και τέλος τις αμοιβαίες επιδράσεις μεταξύ της θάλασσας αφενός και της θάλασσας με το βυθό αφετέρου. Γεωλογική Βιολογική Χημική Εφαρμοσμένη Ωκεανογραφία

7

8

9 ΕΤΗΣΙΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ΣΤΟΝ ΠΛΑΝΗΤΗ ΕΞΑΤΜΙΣΗ 361x10 12 m 3 /έτος ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ 0,013x10 15 m 3 ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΗ 324x10 12 m3/έτος ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΗ 99x10 12 m 3 /έτος ΕΞΑΤΜΙΣΗ/ΔΙΑΠΝΟΗ 62x10 12 m 3 /έτος ΛΙΘΟΣΦΑΙΡΑ 33.6x10 15 m 3 ΩΚΕΑΝΟΙ 1.35x10 15 m 3 ΑΠΟΡΟΗ/ΥΠΟΓΕΙΑ ΥΔΑΤΑ 37x10 12 m 3 /έτος Οι ωκεανοί περιέχουν το 97.5% του νερού του πλανήτη, η λιθόσφαιρα το 2.4% και η ατμόσφαιρα λιγότερο από το 0.001%. Το πλανητικό ετήσιο ύψος βροχόπτωσης (1200 mm) 30πλάσιο του νερού που μπορεί να συγκρατεί η ατμόσφαιρα. είναι

10 Θαλάσσιο νερό = διαλυμένα άλατα + χημικά στοιχεία + ορυκτά Πυκνότητα (1.025 x 10 3 gr/m 3 ) - πίεση (αύξηση κατά 10 4 Pa για κάθε m βάθους) Πυκνότητα θερμοκρασία + αλατότητα Aλατότητα= το συνολικό βάρος των στερεών υλικών σε gr/kgr θαλάσσιου νερού (S=34.72 gr/ Kgr ή S= )

11 ΗΜΕΤΡΗΣΗ ΤΗΣ ΑΛΑΤΟΤΗΤΑΣ Κλίμακα της πρακτικής αλατότητας (S) που συνδέει την αλατότητα με την αγωγιμότητα σε διαφορετικής θερμοκρασίες.

12 ΗΚΑΤΑΝΟΜΗ ΤΗΣ ΑΛΑΤΟΤΗΤΑΣ Η κατανομή της αλατότητας εξαρτάται σχεδόν αποκλειστικά από την κατανομή των βροχοπτώσεων (Β) και των εξατμίσεων (Ε). ΑΤΛΑΝΤΙΚΟΣ ΕΙΡΗΝΙΚΟΣ ΤΡΟΠΙΚΗ ΖΩΝΗ Τοπικές κατανομές της μέσης τιμής της αλατότητας στον Ατλαντικό ωκεανό, Ειρηνικό ωκεανό και στην Τροπική ζώνη. Στο διάγραμμα της Τροπικής ζώνης δίδεται και ηκατανομή της θερμοκρασίας. Αύξηση της αλατότητας κατά 1 προκαλεί αύξηση της πυκνότητας όμοια με αύξηση της Τκατά 4 o C.

13 ΗΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗ ΑΛΑΤΟΤΗΤΑ ΤΩΝ ΩΚΕΑΝΩΝ Οι επιφανειακή αλατότητα των ωκεανών εξαρτάται από: α) τα φαινόμενα της εξάτμισης (Ε) και της βροχόπτωσης (Β). β) τα φαινόμενα της ανάμειξης των επιφανειακών στρωμάτων με τα βαθύτερα. γ) τα νερά των μεγάλων ποταμών που μπορούν να επηρεάσουν τα παράκτια νερά. δ) το λιώσιμο και τον σχηματισμό των πάγων, ιδιαίτερα στις πολικές περιοχές. S = S + K(E B) o z όπου, S z = η μέση αλατότητα σε βάθη m Κ = μέτρο του μεγέθους των κατακορύφων αναμείξεων του νερού

14 ΑΥΞΟΜΕΙΩΣΕΙΣ ΤΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΑΛΑΤΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ ΩΚΕΑΝΩΝ Οι ετήσιες διακυμάνσεις έχουν πλάτος < 0.5 Μεταξύ των διαφόρων περιοχών διακρίνουμε: Ι. Τις υποπολικές περιοχές όπου το λιώσιμο των πάγων μειώνει σημαντικά την αλατότητα κατά την διάρκεια του καλοκαιριού. Στην περιοχή του Β. Ατλαντικού οι διακυμάνσεις αυτές παρουσιάζουν χαρακτήρα φθίνουσας ταλάντωσης που κινείται νοτιοανατολικά. ΙΙ. Τις περιοχές όπου οι βροχοπτώσεις υπόκεινται σε μεγάλη ετήσια διακύμανση (Μουσσώνων). ΙΙΙ. Τις περιοχές που βρίσκονται κοντά στις εκβολές μεγάλων ποταμών, των οποίων η παροχή υφίσταται σημαντικές ετήσιες διακυμάνσεις. Οι μέσες αλατότητες των ωκεανών είναι: για τον Ειρηνικό ωκεανό για τον Ινδικό ωκεανό για τον Ατλαντικό ωκεανό για τον Παγκόσμιο ωκεανό

15 ΗΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΤΟΥ ΘΑΛΑΣΣΙΟΥ ΝΕΡΟΥ Τρόποι μέτρησης της θερμοκρασίας του νερού Θερμόμετρα, θερμοζεύγη, θερμίστορ, Ραδιόμετρα Βαθυθερμογράφος α) Θερμοκρασία που μετράται επιτόπου (in situ) β) Δυναμική θερμοκρασία (όταν μάζα νερού σε βάθος 5000 m που έχει in situ θερμοκρασία 1 o C και αλατότητα έλθει αδιαβατικά στην επιφάνεια έχει θερμοκρασία 0.57 o C)

16 ΗΚΑΤΑΝΟΜΗ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΣΤΟ ΘΑΛΑΣΣΙΟ ΧΩΡΟ Αναμεμιγμένο στρώμα Θερμοκλινές στρώμα (εποχιακό) Διακοπτόμενο θερμικό στρώμα

17 Η ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΘΑΛΑΣΣΙΟΥ ΝΕΡΟΥ Προσδιορίζεται από την θερμοκρασία, την αλατότητα και την πίεση. Παράμετρος του Knundesn (σ= ρ-1000, gr/cm 3 ) Ανάλογα με την θερμοκρασία που χρησιμοποιούμε διακρίνουμε τρεις τύπους πυκνότητας: σ = ρ s,t,p 1000 σ Τ = ρ s,t, σ θ = ρ s,t,p -1000

18 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ- ΑΛΑΤΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΓΡΑΦΙΚΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ 1 η θαλάσσια μάζα: Τ=28 o C S=35 2 η θαλάσσια μάζα: Τ=18 o C S= η θαλάσσια μάζα: Τ=6 o C S=34.7

19 Ο ΘΑΛΑΣΣΙΟΣ ΠΑΓΟΣ Το 3-4% του ωκεάνιου χώρου καλύπτονται από πάγο.

20 ΔΙΑΛΥΜΕΝΑ ΑΕΡΙΑ ΣΤΟ ΘΑΛΑΣΣΙΟ ΝΕΡΟ Το οξυγόνο 1) τη διαλυτότητα του οξυγόνου στο νερό 2) τις βιολογικές διεργασίες, οι οποίες ελέγχουν την κατανάλωση και τη γέννηση του Ο 2 3) τους φυσικούς μηχανισμούς που ελέγχουν το ποσοστό του Ο 2 που εισέρχεται και εξέρχεται από το θαλάσσιο νερό (κύματα, ρεύματα, παλίρροιες, καταιγίδες) Το άζωτο Η συγκέντρωση του Ν και Ο 2 κατά τον κορεσμό και τον διαποτισμό ακολουθεί τον νόμο του Henry σύμφωνα με τον οποίο η διαλυμένη συγκέντρωση ενός αερίου είναι ανάλογη της μερικής πίεσης του αερίου και κατά συνέπεια της ατμοσφαιρικής πίεσης, με δεδομένο ότι, η θερμοκρασία και η αλατότητα του νερού παραμένουν σταθερές.

21 Το διοξείδιο του άνθρακα Η συγκέντρωση του CΟ 2 δεν ακολουθεί τον νόμο του Henry (σύνθετη χημική συμπεριφορά, σχηματισμός όξινης ανθρακικής ρίζας) Η μέτρηση της συγκέντρωσης του CΟ 2 πραγματοποιείται με την μέτρηση της αλκαλικότητας του, δηλαδή του ph. + ph = - log [H ] ph = 5 5 = og 10 [H ] 10 mo / Το καθαρό νερό έχει ph=7 l l l Στην επιφάνεια, η τιμή του θαλάσσιου νερού κυμαίνεται από 8.1 έως 8.3

22 ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΦΩΣ ΣΤΗ ΘΑΛΑΣΣΑ αέρας νερό θ 1 θ 3 θ 2 Νόμος του Snell: Χρώμα του θαλάσσιου νερού n n = sinθ 2 1 sin θ 1 2

23 Ο ΔΙΣΚΟΣ ΤΟΥ SECCHI Δίσκος άσπρου χρώματος, διαμέτρου 30 cm που βυθίζεται στη θάλασσα και σημειώνουμε κάθε φορά το βάθος (H s ), περαν του οποίου δεν είναι πλέον ορατός. Το βάθος αυτό (H s ) μειώνεται, ακολουθώντας τη μείωση της σταθεράς διασκόρπισης Κ: K = 1.7 H s Σε πολύ καθαρά νερά μπορούμε να διακρίνουμε τον δίσκο SECCHI πλέον των 50 m (Κ=0.034), ενώ σε παράκτιες περιοχές ο δίσκος φαίνεται από 1-10 m περίπου (Κ=0.17)

24 ΔΙΑΔΟΣΗ ΤΟΥ ΗΧΟΥ ΣΤΟ ΘΑΛΑΣΣΙΟ ΝΕΡΟ Η απώλεια διάδοσης διακρίνεται σε: α) απώλεια εξάπλωσης β) απώλεια απορρόφησης γ) απώλεια διασκόρπισης δ) απώλεια ανάκλασης

25 ΧΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΗΧΗΤΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΟΥΣ ΩΚΕΑΝΟΥΣ

26 ΜΠΣ «ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑΣ-ΚΛΙΜΑΤΟΛΟΓΙΑΣ & ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΥ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ» ΜΑΘΗΜΑ «ΦΥΣΙΚΗΣ ΩΚΕΑΝΟΓΡΑΦΙΑΣ»

27 ΤΥΠΟΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΥΜΑΤΩΝ Animation Τα κύματα μεταφέρουν ενέργεια, αλλά όχι ύλη, από μια περιοχή σε άλλη.

28

29 Διαδρομή (f, fetch)= Η απόσταση κατά μήκος μιας θαλάσσιας τροχιάς, πάνω από την οποία πνέει ο άνεμος με σχεδόν ομοιόμορφη διεύθυνση και ένταση. Σημαντικό ύψος κύματος (H s, significant wave height)= Είναι το χαρακτηριστικό ύψος του 1/3 των παρατηρηθέντων υψών κυμάτων. Animation: Πρόγνωση περιόδου κυμάτων Αιγαίου Animation: Σημαντικό ύψος κύματος Ατλαντικού (significant wave height) Animation: Σημαντικό ύψος κύματος Αιγαίου (significant wave height)

30

31

32 ΟΡΙΖΟΝΤΙΑ ΚΑΙ ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΗ ΚΙΝΗΣΗ ΤΩΝ ΚΥΜΑΤΩΝ

33 ΕΙΔΙΚΟΤΕΡΗ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΤΩΝ ΚΥΜΑΤΩΝ 1.Προοδευτικά κύματα Κάθε σωματίδιο της θαλάσσιας μάζας υπόκειται στην ίδια σε μέγεθος μετατόπιση, αλλά σε διαφορετικό χρόνο καθώς το κύμα περνάει απ αυτό. 2. Στάσιμα κύματα Όλα τα σωματίδια φθάνουν ταυτόχρονα στο μέγιστο της μετατόπισής τους. 3. Ελεύθερα κύματα 4. Αναγκαστικά ή βίαια κύματα 5. Τα κύματα των βαθιών νερών 6. Τα κύματα των ρηχών νερών α. Διάδοση σε ρηχά νερά (h/λ < 0.05) β. Διάδοση σε ενδιάμεσο βάθος (0.05<h/λ < 0.5) γ. Διάδοση σε βαθιά νερά (h/λ > 0.5)

34 ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΚΙΝΗΣΗΣ ΤΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΤΟΥ ΘΑΛΑΣΣΙΟΥ ΝΕΡΟΥ

35 Η ακτίνα (R) κίνησης των σωματιδίων R=αe -kz στο Σχήμα μειώνεται εκθετικά μετά του βάθους. Εμπρός από την κορυφή του κύματος υπάρχει περιοχή σύγκλισης, ενώ όπισθεν της κορυφής περιοχή απόκλισης γεγονός που ανυψώνει ή ταπεινώνει την επιφάνεια του κύματος.

36 ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΚΥΜΑΤΟΣ - ΟΜΑΔΙΚΗ ΤΑΧΥΤΗΤΑ

37

38

39 ΚΥΜΑΤΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ-ΙΣΧΥΣ ΚΑΙ ΟΡΜΗ Κυματική ενέργεια=δυναμική ενέργεια + Κινητική ενέργεια Κυματική ενέργεια ανά μονάδα επιφάνειας (Ε): E = ρ gh (Joule/m) Ισχύς κύματος ανά μοναδιαίο μήκος (P): P = 2 EV g (Watt/m) Κυματική ενέργεια ανά μονάδα επιφάνειας (M): M = Έχει υπολογισθεί ότι σε μια παραλία μήκους 1 km, ένας κυματισμός μεγάλου μήκους κύματος και εύρους 6-8 m, έχει ισχύ 736x10 6 Watt. E C

40 ΦΑΣΜΑ ΚΥΜΑΤΙΣΜΟΥ Ανάλυση Fourier: N o n n n= 1 u(t) = u + α cosnt + b sinnt T 2 2πnt α = n u(t)cos T T 0 T dt 2 2πnt b = n u(t) sin dt T T 0

41 ΕΙΔΗ ΚΥΜΑΤΩΝ-ΑΙΤΙΑ ΓΕΝΝΕΣΗΣ ΤΟΥΣ-ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ α) Τριχοειδή κύματα (Τ < 1 sec) Αναπτύσσονται στην πίσω πλευρά κυμάτων-άνεμος-επιφανειακή τάση β) Ανεμογενή κύματα (Τ» 1 sec) Άνεμος-μικρού μήκους επιφανειακά κύματα βαρύτητας γ) Κύματα αποθαλασσίας ή φουσκοθαλασσιάς (Τ» 10 sec) Βραδύς-ομαλός-μακρύς κυματισμός. Χωρίς άνεμο-καταιγίδες δ) Στάσιμα κύματα Seiche ή κύματα ανάπλασης (Τ» 10 min) Ατμοσφαιρική ή σεισμογενής αιτία ε) Γιγάντια κύματα Τεράστια μεγέθη-συμβολή κυμάτων-ανατολική ακτή Αφρικής στ) Παλιρροϊκά κύματα ζ) Παγιδευμένα κύματα Ύπαρξη φυσικών (ακτογραμμή)-δυναμικών ορίων (Ισημερινός) Διακρίνονται σε μικρής-μεγάλης περιόδου

42 η) Κύματα παρυφής Επιφανειακά κύματα. θ) Μοναχικά κύματα (Tsunami) με Τ > 5 min Μικρού εύρους αλλά πολύ μεγάλου μήκους κύματος-έντονα γεωλογικά φαινόμενα ι) Κύματα υφαλοκρηπίδας Περίοδος > από την περίοδο αδράνειας. κ) Κύματα Kelvin Περίοδος μερικές ημέρες-ώρες. λ) Εσωτερικά κύματα Κύματα λόγω διαφορετικής πυκνότητας.

43

44

45 Τα εσωτερικά κύματα διαφέρουν από τα επιφανειακά: 1) Η ταλάντωση στα εσωτερικά κύματα μπορεί να προκληθεί πολύ εύκολα απ ότι στα επιφανειακά καθώς χρειάζεται μικρότερη ενέργεια, αφού μικρή είναι και η διαφορά πυκνότητας μεταξύ των δύο στρωμάτων. 2) Ενώ στα επιφανειακά κύματα η ενέργεια είναι ανεξάρτητη από την περίοδο τους, στα εσωτερικά κύματα μειώνεται σταθερά καθώς η περίοδος τους αυξάνει. 3) Η κίνηση σε μια διαχωριστική επιφάνεια όπου διαδίδεται ένα εσωτερικό κύμα, είναι διαφορετική από αυτήν ενός επιφανειακού κύματος.

46 ΚΥΜΑΤΑ ΠΟΥ ΣΠΑΝΕ ΣΤΗΝ ΑΚΤΗ 1) Spilling breakers Κύματα θύελλας. 2) Plunging breakers Επιφανειακά κύματα. 3) Surging breakers Επιφανειακά κύματα.

47

48

49 ΑΝΑΚΛΑΣΗ-ΔΙΑΘΛΑΣΗ-ΣΥΓΛΚΙΣΗ-ΑΠΟΚΛΙΣΗ ΚΑΙ ΠΕΡΙΘΛΑΣΗ ΚΥΜΑΤΩΝ Τα κύματα όταν πλησιάζουν την ακτή ανακλώνται από την ακτογραμμή, διαθλώνται λόγω της ταχείας μείωσης του βάθους του πυθμένα και περιθλώνται εξαιτίας της παράκτιας μορφολογίας. Τα χαρακτηριστικά των κυμάτων που προσεγγίζουν την ακτή μεταβάλλονται. Η ταχύτητα και το μήκος κύματος μειώνονται, το ύψος αυξάνει αλλά η περίοδος παραμένει σταθερή. Ι. Ανάκλαση των κυμάτων

50 ΙΙ. Διάθλαση των κυμάτων Animation

51 ΙΙΙ. Σύγκλιση και απόκλιση των κυμάτων

52 ΙV. Περίθλαση των κυμάτων

53 ΜΠΣ «ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑΣ-ΚΛΙΜΑΤΟΛΟΓΙΑΣ & ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΥ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ» ΜΑΘΗΜΑ «ΦΥΣΙΚΗΣ ΩΚΕΑΝΟΓΡΑΦΙΑΣ»

54 Ε ι σ α γ ω γ ή Η θάλασσα ευρίσκεται σε συνεχή κίνηση, μορφή της οποίας είναι εκτός των άλλων και τα θαλάσσια ρεύματα. Η δημιουργία των θαλάσσιων ρευμάτων οφείλεται σε διάφορους παράγοντες μεταξύ των οποίων πρωτεύουσα θέση κατέχουν: 1) Ο άνεμος (δημιουργία κυμάτων-μεταφορά επιφανειακής μάζας) 2) Η παλίρροια (ισχυρά ρεύματα κατά τις φάσεις της άμπωτης και της πλημμυρίδας) 3) Οι διαφορές της υδροστατικής πίεσης 4) Η περιστροφή της γης (δύναμη Coriolis) Είναι δυνατόν κατά την μετακίνηση των θαλάσσιων μαζών να συμμετέχουν ενεργά περισσότεροι του ενός από τους παραπάνω παράγοντες.

55 3.1 Τρόποι μέτρησης των θαλάσσιων ρευμάτων 1) Τις άμεσες μετρήσεις [Euler(ρευματογράφοι)-Langrange(drifter)] 2) Τις έμμεσες μετρήσεις (απευθείας-αποτελέσματα των ρευμάτων) Οι πλέον χρησιμοποιούμενες ιδιότητες του θαλάσσιου νερού κατά τις έμμεσες μετρήσεις είναι: 1) Η κατανομή της πυκνότητας σε σχέση με τη γεωστροφική ισορροπία 2) Η κατανομή της αλατότητας

56 3.2 Η (διατμητική) τάση του ανέμου τ =ρ CD U όπου: ρ= πυκνότητα του αέρα (kgr/m 3 ) C D = συντελεστής ανάδρασης U=ταχύτητα του ανέμου (m/s) 2 Τα μεγάλα επιφανειακά ρεύματα οφείλουν κυρίως την δημιουργία τους στους επικρατούντες κατά περιοχή επιφανειακούς ανέμους, ενώ το βάθος τους σπάνια ξεπερνάει τα m.

57 3.3 Παράκτια ρεύματα α) Τα ρεύματα επαναφοράς (rip currents) που γενικά μετακινούν ιζήματα από την ακτή προς την ανοικτή θάλασσα και β) Τα παράλληλα προς την ακτή ρεύματα (long shore currents) που μετακινούν ιζήματα κατά μήκος της ακτής Τα κύρια συστήματα ρευμάτων είναι τέσσερα, έχουν δε σαν αιτία δημιουργίας τους την δράση των κυμάτων στην παράκτια ζώνη και μπορούν να διαχωριστούν σε: 1) Κλειστό κύκλωμα κυκλοφορίας (rip και long shore ρεύματα)

58 2) Παράκτια ρεύματα που προέρχονται από την υπό γωνία προσέγγισης των κυμάτων στην ακτή

59 3) Ρεύματα απόκλισης Μελετήθηκαν από τον Νορβηγό ωκεανογράφο Ekman. Οι επιφανειακοί άνεμοι υποχρεώνουν το επιφανειακά αναπτυσσόμενο ρεύμα να στραφεί κατά 45 ο δεξιά στο Β. ημισφαίριο. 4) Ρεύματα κλίσης προς τα Η γωνία απόκλισης αυξάνει με το βάθος και η ταχύτητα ελαττώνεται. Προβολή των ανυσμάτων ταχύτητας σε οριζόντιο επίπεδο δίνει την σπείρα Ekman. Είναι συνέπεια των ρευμάτων απόκλισης (αντίθετη κίνηση) Στο Β. ημισφαίριο άνεμοι που πνέουν από αριστερά, όπως κοιτάζουμε την παραλία από την θάλασσα, είναι άνεμοι αμπώτιδας (ταπείνωση στάθμης), ενώ αυτοί που πνέουν από τα δεξιά είναι άνεμοι πλημμυρίδας (ανύψωση στάθμης).

60 3.4 Παλιρροϊκά ρεύματα Στη Μεσόγειο τα παλιρροϊκά ρεύματα είναι μικρής έντασης (π.χ. στο Αιγαίο το μέσο ύψος δεν ξεπερνά τα cm). Εξαίρεση αποτελεί η παλίρροια της Χαλκίδας όπου παρατηρούνται έντονα παλιρροϊκά ρεύματα με μέγιστο ύψος 86 cm και ταχύτητες κυμαινόμενες από Knot. 3.5 Ρεύματα δημιουργούμενα από δυνάμεις που οφείλονται στις διαφορές των πιέσεων dp = ρ gdz Υδροστατική εξίσωση 3.6 Ρεύματα δημιουργούμενα λόγω διαφοράς της πυκνότητας του θαλάσσιου νερού

61 3.7 Βαροτροπικές και βαροκλινείς συνθήκες Animation:The thermohaline circulation Δυνάμεις Coriolis f = 2 Ω sin φ 3.9 Κινήσεις αδράνειας 2π Ω= Τ Οι κινήσεις αδράνειας ή ταλαντώσεις είναι αυτές που λόγω της δύναμης της αδράνειας συνεχίζουν την κίνησή τους και μετά από την δράση μιας αρχικής δύναμης που δέχτηκαν και που έχει σταματήσει πλέον να επιδρά επάνω τους, θεωρώντας βέβαια τις αναπτυσσόμενες τριβές ασήμαντες.

62 3.10 Γεωστροφικές κινήσεις και γεωστροφικά ρεύματα

63 3.11 Βαροτροπικές και βαροκλινείς συνέπειες

64 3.12 Η διάχυση Μοριακή διάχυση Διάχυση εξαιτίας της ανατάραξης του νερού Πίνακας 6: Χαρακτηριστικές τιμές των σταθερών της μοριακής, της κατακόρυφης και της οριζόντιας ανάμειξης 3.13 Ιξώδες ή δύναμη τριβής του ρευστού (θαλάσσιου νερού) μοριακό ιξώδες ιξώδες ανατάραξης λόγω στροβιλωδών κινήσεων

65 3.14 Οριακό στρώμα του θαλάσσιου νερού οριακό στρώμα ελεύθερη εξωτερική περιοχή 3.15 Επιφανειακό οριακό στρώμα του θαλάσσιου νερού Στην δημιουργία ενός επιφανειακού οριακού στρώματος, τον πρωτεύοντα ρόλο παίζει ο άνεμος Το στρώμα του Ekman Το βάθος μέχρι το οποίο μπορεί να φτάσει η επίδραση του ανέμου μέσα στη θαλάσσια μάζα ονομάζεται βάθος του Ekman Το στρώμα του Ekman σε αβαθή νερά

66 3.18 Η άντληση του Ekman

67 3.19 Ρεύματα Upwelling και Downwelling

68 Τα Upwelling και Downwelling συναντώνται συνήθως σε: παράκτιες περιοχές, λόγω της σχετικής κίνησης του ανέμου κατά μήκος των ακτών και περιοχές σύγκλισης και απόκλισης στις βαθιές ωκεάνιες και θαλάσσιες συνήθως λεκάνες

69 Η κυκλοφορία στον Ατλαντικό ωκεανό Η κυκλοφορία των θαλάσσιων υδάτων στην επιφάνεια του Ατλαντικού ωκεανού, κύρια χαρακτηρίζεται από δύο μεγάλης κλίμακας κινήσεις (gyres), κατά την ορθή φορά στον Βόρειο Ατλαντικό και κατά την ανάδρομη στον Νότιο Ατλαντικό, αποτέλεσμα της δράσης των αληγών ανέμων (trade winds).

70 Οι επικρατούντες ξηροί ΒΔ άνεμοι και οι υψηλές τιμές της ηλιοφάνειας προκαλούν πλεόνασμα εξάτμισης (100 cm/έτος) έναντι της βροχόπτωσης στο ανατολικό τμήμα της Μεσογείου, με συνέπεια την ύπαρξη υψηλών τιμών θερμοκρασίας και αλατότητας. Levantine Intermediate Water (LIW) Δημιουργείται τον χειμώνα στα Νότια παράλια της Τουρκίας σε βάθος m. Western Mediterranean Deep Water (WMDW) Η κυκλοφορία των θαλασσίων υδάτων βάθους (Deep and Bottom Waters) δημιουργείται στην Ριβιέρα και στην Αδριατική θάλασσα.

71 Ανταλλαγές του θαλάσσιου νερού της Μεσογείου με άλλους ωκεανούς γίνονται διαμέσου του στενού του Γιβραλτάρ. Ο όγκος της Μεσογείου υπολογίζεται σε 3.75 x10 6 km 3, το δε ισοζύγιο εξόδου και εισόδου του θαλάσσιου νερού μέσω του Γιβραλτάρ είναι της τάξης των 1550 km 3 κάθε χρόνο. Οι ταχύτητες των ρευμάτων στην Μεσόγειο είναι ποικίλες και εξαρτώνται, αφενός μεν από τις εποχές, αφετέρου δε από την συνοπτική κατάσταση της Μεσογείου και του παρακείμενου Ατλαντικού ωκεανού.

72 Τα νερά του Ατλαντικού μπαίνουν υπό μορφή βίαιου επιφανειακού ρεύματος που σκοπό έχει να αναπληρώσει τις ποσότητες νερού της Μεσογείου που χάνονται εξαιτίας της εξάτμισης. Ένα πιο αργό ρεύμα κυλάει στο βάθος από την Μεσόγειο προς τον Ατλαντικό, μεταφέροντας μάζες νερού μεγαλύτερης πυκνότητας.

73 ΜΠΣ «ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑΣ-ΚΛΙΜΑΤΟΛΟΓΙΑΣ & ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΥ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ» ΜΑΘΗΜΑ «ΦΥΣΙΚΗΣ ΩΚΕΑΝΟΓΡΑΦΙΑΣ»

74 Ένα από τα πιο εντυπωσιακά φαινόμενα που παρατηρούμε στη Γη είναι οι παλίρροιες, δηλαδή το φαινόμενο, όπου η στάθμη των νερών στις λίμνες και στις θάλασσες ανεβαίνει (πλημμυρίδα) και κατεβαίνει (άμπωτη) περιοδικά. Στους ωκεανούς η άνοδος αυτή φτάνει μέχρι και το ένα μέτρο, ενώ σε στενούς κόλπους είναι ακόμα μεγαλύτερη. Γενικά η ένταση με την οποία εκδηλώνεται το φαινόμενο είναι διαφορετική στις διάφορες περιοχές της Γης και εξαρτάται από τη διαμόρφωση των ακτών. Το φαινόμενο αυτό, γνωστό από την αρχαιότητα, ερμηνεύτηκε από τον Νεύτωνα. Οφείλεται στη βαρυτική έλξη που ασκεί η Σελήνη και ο Ήλιος στους ωκεανούς της Γης.

75 Η δύναμη της βαρύτητας που ασκεί η Σελήνη στη Γη έχει ως αποτέλεσμα το φαινόμενο της παλίρροιας. Το πλησιέστερο προς τη Σελήνη σημείο απέχει km (διάμετρος της Γης), λιγότερο από το αντιδιαμετρικό σημείο. Έτσι, οι δυνάμεις που ασκεί η Σελήνη στα δύο αυτά σημεία και στο κέντρο της Γης είναι διαφορετικές. Η διαφορά αυτή είναι η αιτία που δημιουργεί το φαινόμενο της παλίρροιας. Στα αντιδιαμετρικά αυτά σημεία εμφανίζεται ανύψωση της στάθμης, ενώ στα σημεία που σχηματίζουν γωνία 90 ο παρατηρείται η χαμηλότερη στάθμη.

76 Η παλιρροϊκή δύναμη έχει σχέση με τις διάφορες θέσεις των τριών ουρανίων σωμάτων (Ήλιος, Σελήνη, Γη). Η δύναμη αυτή είναι μεγαλύτερη, όταν τα τρία ουράνια σώματα είναι σε ευθεία και μικρότερη, όταν σχηματίζουν ορθή γωνία.

77 Η διαφορά του μέτρου της ελκτικής δύναμης που ασκεί η Σελήνη στο νερό των ωκεανών που βρίσκονται πλησιέστερα σ αυτήν, από το μέτρο της αντίστοιχης δύναμης που ασκεί στο νερό που βρίσκεται στην αντίθετη πλευρά της Γης (αντιδιαμετρικές πλευρές) ονομάζεται παλιρροϊκή δύναμη. Η παλιρροϊκή δύναμη προκαλεί διόγκωση των ωκεανών περίπου κατά τη διεύθυνση που ορίζεται από τα κέντρα της Γης και της Σελήνης. Η παραμόρφωση αυτή των ωκεανών μετατοπίζεται περιοδικά λόγω της περιστροφής της Γης γύρω από τον άξονά της. Έτσι, αναπτύσσονται δυνάμεις τριβής από τις μετακινούμενες υδάτινες μάζες που τείνουν να επιβραδύνουν την περιστροφή της Γης. Η περίοδος περιστροφής της Γης αυξάνεται κατά 0,002 s ανά αιώνα. Έτσι, πριν 450 εκατομμύρια χρόνια η μέρα στη Γη διαρκούσε 22 ώρες, ενώ μετά από 145 δισεκατομμύρια χρόνια αυτή θα διαρκεί 27 ώρες, όσο δηλαδή και η περιστροφή της Σελήνης. Ανάλογη παλιρροϊκή δύναμη ασκεί και η Γη στη Σελήνη. Το φαινόμενο της σύγχρονης περιστροφής της Σελήνης και η μετακίνηση του μανδύα της προς την πλευρά την πλησιέστερη στη Γη, οφείλονται στην παλιρροϊκή δύναμη που ασκεί η Γη στη Σελήνη.

78 Η μετάπτωση και η κλόνηση του άξονα της Γης είναι ένα ακόμα φαινόμενο που οφείλεται στην έλξη που ασκούν σε αυτή ο Ήλιος και η Σελήνη. Οι δυνάμεις αυτές σε συνδυασμό με το σχήμα της Γης και τη λόξωση της εκλειπτικής, τη γωνία (23 ο 27 ) δηλαδή που σχηματίζει ο άξονας περιστροφής της Γης με το επίπεδο της εκλειπτικής, εξαναγκάζουν τον άξονα να περιστρέφεται, όπως ο άξονας μιας σβούρας. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται μετάπτωση του άξονα περιστροφής της Γης. Ταυτόχρονα, λόγω της αλλαγής θέσης της Σελήνης σε σχέση με το επίπεδο της τροχιάς της Γης, προκαλείται η περιοδική κλόνηση του άξονα περιστροφής της που επαναλαμβάνεται κάθε 19 περίπου έτη.

79 Παραγωγή ενέργειας είναι δυνατή και από αντίστοιχη εκμετάλλευση της ενέργειας των κυμάτων, δηλαδή του αποτελέσματος της ανάσχεσης της κινητικής ενέργειας του ανέμου σε εκτεταμένες ωκεάνιες επιφάνειες. Η ενέργεια που αποδεσμεύεται στις ακτές παγκόσμια εκτιμάται ότι είναι της τάξης των 2-3 εκατομμυρίων MW. Μάλιστα σε μερικές περιοχές η ενέργεια αυτή είναι της τάξης των 65 MW για κάθε ένα μίλι ακτογραμμής. Η Ιαπωνία και η Αγγλία θεωρούνται πρωτοπόρες χώρες στον τομέα παραγωγής ενέργειας από τα ωκεάνια κύματα χάρις στα ερευνητικά προγράμματα που ξεκίνησαν το έτος Λόγω της υψηλής τιμής της θερμοχωρητικότητας του νερού οι ωκεανοί, σε ημερήσια βάση, δεσμεύουν θερμική ενέργεια από τον ήλιο που ισοδυναμεί με αντίστοιχη ενέργεια 250 δισεκατομμυρίων βαρελιών πετρελαίου.

80 Ο μηχανισμός παραγωγής ενέργειας από την ταλάντωση της στάθμης του ωκεανού λειτουργεί σε δύο στάδια. Κατά την είσοδο του κύματος αυξάνεται η πίεση του αέρα που διέρχεται από τον στροβιλοκινητήρα. Το αντίθετο συμβαίνει όταν το κύμα επιστρέφει.

81 Στην εικόνα διακρίνεται μηχανισμός παραγωγής ενέργειας από την ταλάντωση της στάθμης του ωκεανού, προσαρμοσμένος κατάλληλα στην είσοδο παράκτιου κοιλώματος.

82 Σχηματική αναπαράσταση του τρόπου λειτουργίας των κυματοθραυστών παραγωγής ενέργειας από την κατακόρυφη κίνηση στήλης νερού του ωκεανού (Oscillating Water Column, OWC).

83 Μηχανισμός παραγωγής ενέργειας (Oscillating Water Column, OWC).

84 Εικόνα υδροστροβίλου στο στάδιο της συναρμολόγησης. Ο μηχανισμός παραγωγής ενέργειας από την ταλάντωση της επιφάνειας του ωκεανού αποτελείται από: 1) τον ρότορα, 2) τον στρόβιλο 3) τον στάτορα και 4) τις θυρίδες εισόδου/εξόδου του νερού. Η κίνηση του νερού του ωκεανού γίνεται κατά την φορά του βέλους.

85 Φωτογραφία κυματοθραύστη παραγωγής ενέργειας από την ταλάντωση της επιφάνειας της θάλασσας.

86 Η δεξαμενή αποθήκευσης θαλασσινού νερού έχει κατασκευασθεί σε βράχο της παραλίας. Το πλάτος εισόδου της δεξαμενής μειώνεται βαθμιαία (tapered channel) με συνέπεια το ύψος των κυμάτων να αυξάνεται. Η κινητική ενέργεια του κύματος μετατρέπεται σε δυναμική ενέργεια στην δεξαμενή αποθήκευσης και στην συνέχεια σε ηλεκτρική ενέργεια με την βοήθεια υδροστροβίλων.

87 Επιπλέοντες μηχανισμοί (Salter Duck, Clam, Archimedes wave swing) παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα χάρις στην αρμονική κίνηση της στάθμης της θάλασσας.

88 Ο «γητευτής των κυμάτων». Πρόκειται για πειραματικό μηχανισμό που μετασχηματίζει την κατακόρυφη κίνηση της επιφάνειας των ωκεανών σε ηλεκτρική ενέργεια. Αποτελείται από σειρά με σημαδούρες που επιπλέουν στην επιφάνεια του ωκεανού, η κατακόρυφη κίνηση των οποίων κινεί υδραυλικές αντλίες τοποθετημένες στον πυθμένα των ωκεανών.

89 Υπάρχει μεγάλος αριθμός ακτών στον πλανήτη μας, που χάρις στα γεωμορφολογικά χαρακτηριστικά τους (διάταξη, μήκος, κ.λπ.) είναι ιδανικές για την δημιουργία και λειτουργία εργοστασίων παραγωγής κυματικής ενέργειας. Στο Σχήμα σημειώνονται ακτές υψηλού κυματικού δυναμικού, ενδεικτικές (εκτιμώμενες) τιμές παραγωγής ενέργειας (σε GW), καθώς και το μέσο παλιρροιακό εύρος της στάθμης της θάλασσας στην περιοχή της ακτής.

90 Σήμερα λειτουργούν παγκόσμια έξι σταθμοί που εκμεταλλεύονται την ενέργεια των κυμάτων (κυρίως από παλίρροιες) και παράγουν περίπου 1 GW ηλεκτρική ενέργεια. Ο μεγαλύτερος σταθμός λειτούργησε το έτος 1965 στην εκβολή του ποταμού La Rance River στην Γαλλία και διαθέτει 24 στροβιλοκινητήρες των 10 MW. Σχεδιάζεται η εγκατάσταση ενός σταθμού 40 MW στην Nova Scotia και ενός 400 MW στην Russia. In Australia, several studies have been made of the potential for tidal power stations in the Kimberley της Δυτικής Αυστραλίας, όπου το εύρος της στάθμης της θάλασσας λόγω της παλίρροιας εκτιμάται ότι κυμαίνεται από 9 έως 12 m. 1. Siberia 2. Inchon, Korea 3. Hangchow, China 4. Hall's Point, Australia 5. New Zealand 6. Anchorage, Alaska 7. Panama 8. Chile 9. Punta Loyola, Argentina 10. Brazil 11. Bay of Fundy 12. Frobisher Bay, Canada 13. England 14. Antwerp, Belgium 15. LeHavre, France 16. Guinea 17. Gujarat, India 18. Burma 19. Semzha River, Russia 20. Colorado River, Mexico 21. Madagascar

91 Α) ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Μεγάλο κόστος κατασκευής και μεγάλη περίοδος απόσβεσης (συνήθως μερικές δεκαετίες). (Περίπτωση του κυματοθραύστη μήκους 11 μιλίων που προτάθηκε να κατασκευασθεί το έτος 1980 στην περιοχή Savern της Αγγλίας, ονομαστικής ισχύος MW και αξίας 10 δισεκατομμυρίων λιρών). Β) ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Μεταβολή της κυματικής συμπεριφοράς στον κόλπο εφαρμογής του έργου (μικρότερα μέγιστα ύψη του κύματος και μεγαλύτερα ελάχιστα ύψη κύματος) [Τμήμα Ενέργειας των ΗΠΑ, 1987]. Διαφοροποίηση της σύστασης του νερού του ωκεανού στην περιοχή του έργου (αλμυρότητα, θόλωση, κ.λπ.). Συσσώρευση λάσπης στη περιοχή του έργου. Γεωμορφολογικές επιπτώσεις (διάβρωση, κ.λπ.) στις ακτές. Πανίδα (ψάρια και πουλιά) της περιοχής.

92

93 «Man masters nature not by force but by understudying» Jacob Bronowski ( )

94 ΜΠΣ «ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑΣ-ΚΛΙΜΑΤΟΛΟΓΙΑΣ & ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΥ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ» ΜΑΘΗΜΑ «ΦΥΣΙΚΗΣ ΩΚΕΑΝΟΓΡΑΦΙΑΣ»

95 Γραφική απεικόνιση της δομής της θετικής φάσης της ταλάντωσης του Βόρειου Ατλαντικού (North Atlantic Oscillation, NAO). Η απεικόνιση βασίζεται σε συζητήσεις και αναλύσεις εργασιών επιστημόνων που έχουν ασχοληθεί με θέματα σχετικά με την αλληλεπίδραση των επιμέρους συνιστωσών του δυναμικού συστήματος ωκεανών-ατμόσφαιραςθαλάσσιου πάγου. Οι έγχρωμες περιοχές σημειώνουν την SST καθώς και την έκταση που καταλαμβάνει ο θαλάσσιος πάγος, τα βέλη σημειώνουν την κυκλοφορία στα επιμέρους συνιστωσών του δυναμικού συστήματος, οι μπλε και κόκκινες γραμμές παριστάνουν την SLP και τέλος τα λευκά ορθογώνια περιέχουν σχόλια για τις χαρακτηριστικές διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα.

96 Γραφική απεικόνιση της δομής της αρνητικής φάσης της ταλάντωσης του Βόρειου Ατλαντικού (North Atlantic Oscillation, NAO)

97 ENSO (EL Niňo Southern Oscillation) από το CD ww2010

98 Γραφική απεικόνιση της πιθανής τηλεδιασύνδεσης (link) που είναι δυνατόν να υπάρχει μεταξύ των αντιστοίχων φαινομένων ENSO και NAO.

99 ΠΜΣ «ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑΣ-ΚΛΙΜΑΤΟΛΟΓΙΑΣ & ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΥ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ» ΜΑΘΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΩΚΕΑΝΟΓΡΑΦΙΑΣ ΧΕΙΜΕΡΙΝΟ ΕΞΑΜΗΝΟ ΑΚΑΔΗΜΑΙΚΟΥ ΕΤΟΥΣ