Θαλασσινό Νερό Ιδιότητες μορίου νερού

Transcript

1 Θαλασσινό Νερό Ιδιότητες μορίου νερού Το νερό είναι η μόνη χημική ένωση στο πλανήτη Γη που απαντάται ταυτόχρονα και στις τρεις φάσεις της ύλης: - στερεά (πάγος), - υγρή (νερό) και - αέρια (υδρατμοί). Το θαλασσινό νερό είναι μίγμα από: - 96,5% καθαρό νερό - 3,5% άλλες ουσίες (άλατα, διαλυμένα αέρια, οργανικές ουσίες και αιωρούμενα στερεά)

2 Θαλασσινό Νερό Ιδιότητες μορίου νερού Διάταξη ατόμου οξυγόνου (Ο) και δύο ατόμων υδρογόνου (Η) στο μόριο νερού. Η γωνία μεταξύ των θετικά φορτισμένων ατόμων είναι 105 ο, η οποία είναι πολύ κοντά στη γωνία ενός τετραέδρου. Η γωνία αυτή αυξάνει στις 110 ο όταν το νερό γίνει πάγος. Άρα, η πρώτη βασική ιδιότητα του νερού είναι η μοριακή πολικότητά του (molecular polarity) Η μοριακή πολικότητα έχει ως αποτέλεσμα την υψηλή διηλεκτρική σταθερά και τη υψηλή διαλυτική ικανότητα.

3 Θαλασσινό Νερό Ιδιότητες μορίου νερού Τα άτομα οξυγόνου και υδρογόνου συγκρατούνται στο μόριο νερού από τις ηλεκτροστατικές δυνάμεις Van der Waals

4 Θαλασσινό Νερό Ιδιότητες μορίου νερού Αποτέλεσμα της πολικότητας του μορίου του νερού είναι ότι όταν μόρια νερού βρεθούν σε κοντινή απόσταση τείνουν να συνδεθούν μεταξύ τους αναπτύσσοντας ένα δεσμό υδρογόνου (Hydrogen Bond) ο οποίος συνδέει τα αντίθετα φορτισμένα ιόντα.

5 Συνεπώς μέσω των δεσμών υδρογόνου είναι εύκολη η αλληλοεπίδραση τεσσάρων μορίων νερού σε μία ενιαία τετραεδρική διάταξη. Η αλληλεπίδραση αυτή καλείται πολυμερισμός.

6 Διαλυτοποίηση οποιονδήποτε θετικά ή αρνητικά φορτισμένων ιόντων

7 Διαλυτοποίηση ιόντων νατρίου και χλωρίου. Το χλωριούχο νάτριο (NaCl) είναι το κύριο συστατικό του άλατος στο νερό. Το διάγραμμα δείχνει πως στην ένυδρη μορφή του προκαλεί τα μόρια του νερού να έλκονται μεταξύ τους, π.χ., τα θετικά φορτισμένα υδρογονο-κατιόντα με τα χλωρο-ιόντα και με τα αρνητικά φορτισμένα ιόντα οξυγόνου με τα θετικά ιόντα νατρίου.

8 Αέρια Φάση: κάθε μόριο νερού έχει εσωτερική ενέργεια που υπερβαίνει την επίδραση των δεσμών υδρογόνου. Κινήσεις μορίων προς διάφορες διευθύνσεις Υγρή Φάση: υπάρχουν δύο διατάξεις μορίων νερού, αυτή χωρίς καμία δομή που επικρατεί στο εσωτερικό της υδάτινης στήλης και η δομημένη διάταξη αναπτύσσει κάποιους δεσμούς υδρογόνου οπότε σχηματίζονται εξάεδρα και εμφανίζεται στην επιφάνεια της στήλης.

9 Στερεά Φάση: οι δεσμοί υδρογόνου διατηρούν τα όλα τα μόρια σε εξάεδρα, στα οποία οι μεταξύ τους αποστάσεις είναι αυξημένες, οπότε η πυκνότητα του πάγου είναι χαμηλότερη αυτής του νερού.

10 Ιδιότητες Ωκεάνειου Νερού Είναι η μόνη χημική ένωση στο στερεό φλοιό της Γης που απαντάται και στις τρείς φάσεις της: στερεά (πάγος), υγρή (νερό) και αέρια (υδρατμός). Μείγμα 96,5% καθαρού νερού και 3,5% άλλων ουσιών (άλατα, διαλυμένα αέρια, οργανικές ουσίες και αιωρούμενα στερεά). Μόριο Νερού ηλεκτρικό δίπολο Ηλεκτροστατικές δυνάμεις Van der Waals. Επιπτώσεις ηλεκτρικού διπόλου μορίου νερού α) Πολυμερισμός (συνένωση 6 μορίων νερού) β) Διαλυτοποίηση ιόντων (αύξηση ηλεκτρικής αγωγιμότητας) γ) Δεσμοί υδρογόνου (συμμετοχή νερού στις χημικές αντιδράσεις) δ) Τετραεδρικό πλέγμα (2, 4 8 μόρια νερού) άνοδος θερμοκρασίας 2-4 μόρια (μείωση πυκνότητας νερού) πτώση θερμοκρασίας 8 μόρια (αύξηση πυκνότητας νερού) Πάγος τετράεδρα (αύξηση όγκου, μείωση πυκνότητας, στερεά φάση). Φυσική Ωκεανογραφία Μάθημα 1 6

11 Ιδιότητες Ωκεάνειου Νερού 1. Υψηλή Θερμοχωριτικότητα (Heat Capacity) Οφείλεται στους δεσμούς υδρογόνου Θερμοχωριτηκότητα είναι η μεταβολή της θερμικής ενέργειας ενός σώματος ως προς την μεταβολή της θερμοκρασίας του (Δc = ΔΕ/ΔΤ). Ως ειδική θερμότητα σε σταθερή πίεση, c P, ορίζεται η θερμική ενέργεια που περιέχει μία υδάτινη μάζα ανά μονάδα μάζας, δηλ. c P = Θερμική Ενέργεια / Μονάδα Μάζας (cal o C / g) ή (J o C/kg) c P (νερού) = 1, c P (πάγου) = 0,48, c P (ξηρού αέρα) = 0, Υψηλά σημεία στερεοποίησης και βρασμού Σημείο Στερεοποίησης (Freezing Point, 0 ο C) Σημείο Βρασμού (Boiling Point, 100 ο C) 3. Υψηλή Λανθάνουσα Θερμότητα Υγροποίησης & Εξάτμισης Λανθάνουσα Θερμότητα Υγροποίησης (Melting Latent Heat, 80 cals) Λανθάνουσα Θερμότητα Βρασμού (Boiling Latent Heat, 540 cals ) 1 γραμ νερού στους 25 ο Cαπαιτεί 585 cals για να εξατμισθεί. 4. Υψηλή Επιφανειακή Τάση (Surface Tension) Φυσική Ωκεανογραφία Μάθημα 1 7

12 Διάγραμμα μεταβολών φάσης και απαιτούμενης θερμότητας για το απεσταγμένο νερό. Λανθάνουσα θερμότητα υγροποίησης (Condensation Latent Heat) Λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης (Evaporation Latent Heat)

13 Κατά την εξάτμιση, η θερμοκρασία της επιφάνειας της θάλασσας μειώνεται, καθώς τα μόρια νερού μεταφέρουν τη θερμότητά τους σε ορισμένα μόρια τα οποία αποκτώντας την επιπλέον θερμότητα καταφέρνουν να εξατμιστούν. Έτσι η εξάτμιση αποτελεί διεργασία ψύξης της επιφάνειας της θάλασσας η οποία χάνει θερμότητα ίση με τη λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης

14 Καθώς η εξάτμιση είναι εντονότερη στις τροπικές και υποτροπικές ζώνες, η υπερβάλλουσα θερμότητα που μεταφέρεται από τη θάλασσα στην ατμόσφαιρα κινείται προς τις πολικές περιοχές για να εξισορροπηθεί το έλλειμμα θερμότητας.

15 Επιφανειακή Τάση Νερού

16

17 Ιδιότητες Ωκεάνειου Νερού Ο Φυσικός Ωκεανογράφος ασχολείται κατά κύριο λόγο με τα παρακάτω φυσικά χαρακτηριστικά του θαλασσινού νερού: Θερμοκρασία Αλατότητα Πυκνότητα Παράμετροι θερμότητας Μεταβολές φάσης (εξάτμιση, υγροποίηση, σχηματισμός πάγου) Πίεση Ήχος και Φως Φυσική Ωκεανογραφία Μάθημα 1 9

18 Θερμότητα (Heat) Μορφή ενέργειας που προκαλεί τη κίνηση ηλεκτρονίων, ατόμων και μορίων. Υπάρχουν δύο εκφράσεις της θερμότητας: -Εσωτερική θερμότητα υδάτινης μάζας (sensible heat), η οποία μεταβάλλει τη θερμοκρασία της μάζας. -Λανθάνουσα θερμότητα (latent heat), η οποία απαιτείται για το σπάσιμο των δεσμών υδρογόνου που διατηρούν μαζί τα μόρια νερού. Δεν μεταβάλλει τη θερμοκρασία της υδάτινης μάζας, αλλά μεταβάλλει τη φάση της.

19 Θερμοκρασία Νερού (Water Temperature) Εκφράζει τη ποσότητα της θερμικής ενέργειας που περιέχει μία υδάτινη μάζα. Μονάδες μέτρησης: ( ο C), ( ο F), ( ο K) Υδάτινη μάζα μηδενικής θερμότητας σημαίνει ότι σε θερμοκρασία -273 ο C ή 0 ο Κ.

20 Σύνδεση Θερμότητας - Θερμοκρασίας Νερού Η ποσότητα θερμότητας ανά μονάδα όγκου ενός σώματος είναι: Q = ρ c P T όπου ρ η πυκνότητα νερού (kg/m 3 ) c P η ειδική θερμότητα νερού (J/kg o C) Τ (θερμοκρασία σε ο Κ), Q (θερμότητα ανά μονάδα όγκου, J/m 3 ) Να υπολογιστεί η ποσότητα της θερμότητας που απαιτείται ώστε να μεταβληθεί η θερμοκρασία μίας στήλης νερού πάχους 100 μ και εμβαδού 1 μ 2 κατά 1 ο C σε μια περίοδο 30 ημερών? Q = ρ c P ΔT V/Δt = 1025 (kg/m 3 ) 3850 (J/(kg o C)) 1 ( o C) 100 m 3 /(30*24*3600 sec) = 152 W Άρα ροή θερμότητας ανά μονάδα επιφάνειας: 152 W/m 2

21 Μέθοδοι μέτρησης Θερμοκρασίας Νερού -Ανεστραμμένα θερμόμετρα Negretti Ακρίβεια ο C και επαναληψιμότητα ο C - Thermistors (Ακρίβεια ο C και επαναληψιμότητα ο C) Είναι διατάξεις πλατίνας ή λευκόχρυσου με ιδιότητα τη μεταβολή της ηλεκτρικής τους αντίστασης με τη μεταβολή της θερμοκρασίας.

22

23 Μέθοδοι μέτρησης Θερμοκρασίας Νερού - CTD (Conductivity Temperature- Depth) Αποτελεί το κύριο επιστημονικό όργανο προσδιορισμού των φυσικών παραμέτρων του ωκεάνιου νερού.

24 Μέθοδοι μέτρησης Θερμοκρασίας Νερού Δορυφορικές εικόνες Δίνουν τη δυνατότητα συνοπτικής καταγραφής της επιφανειακής θερμοκρασίας του ωκεανού. Βασίζονται στη χρήση ενός παθητικού αισθητήρα (ραδιόμετρο) ο οποίος καταγράφει τη διαφορά στην εκπεμπόμενη υπέρυθρη ακτινοβολία.

25 Μέθοδοι μέτρησης Θερμοκρασίας Νερού Ωκεάνιοι πλωτήρες (ocean drifters). Κινούνται παθητικά στον ωκεανό από τα ρεύματα και ταυτόχρονα μετρούν φυσικές παραμέτρους του νερού (όπως η θερμοκρασία, η αλατότητα, κλπ.)

26 Σημείο πήξης ωκεάνιου νερού Ο προσδιορισμός της θερμοκρασίας κατά την οποία το ωκεάνιο νερό παγώνει αποτελεί συνάρτηση της αλατότητας και της πίεσης που αυτό βρίσκεται: = + 3 3/ Tf ( S, p) S S S p Θα πρέπει να θυμόμαστε ότι η αλατότητα και η πίεση υποβιβάζουν το σημείο πήξης. Έτσι στην Ανταρκτική το νερό της επιφάνειας έχει θερμοκρασία -1.8 ο C ενώ σε βάθη 1000 μ η θερμοκρασία του φθάνει στους -2.5 ο C.

27 Δυναμική Θερμοκρασία (Potential Temperature) Η βύθιση μίας υδάτινης μάζας αυξάνει τη πίεση στο εσωτερικό της με αποτέλεσμα την αύξηση της εσωτερικής της ενέργειας. Αυτή η μεταβολή ωστόσο, δεν αντιστοιχεί σε αύξηση της θερμοκρασίας της λόγω αύξησης της ροής θερμότητας προς την υδάτινη μάζα. Άρα: βύθιση υδάτινης μάζας αύξηση πίεσης αύξηση πυκνότητας αύξηση θερμοκρασίας Άνοδος υδάτινης μάζας μείωση πίεσης μείωση πυκνότητας μείωση θερμοκρασίας

28 Δυναμική Θερμοκρασία (Potential Temperature) Για να ξεπεράσουμε την επίδραση της συμπίεσης στις καταγραφές της θερμοκρασίας, ορίζουμε τη παράμετρο θ, η οποία ορίζεται ως η θερμοκρασία μίας μάζας νερού στην επιφάνεια μετά την αδιαβατική της άνοδο από οποιοδήποτε βάθος. Άρα, η δυναμική θερμοκρασία θ είναι πάντοτε μικρότερη της επιτόπιας θερμοκρασίας Τ.

29 Αλατότητα (Salinity) Το ωκεάνιο νερό περιέχει οργανικά και ανόργανα συστατικά και διαλυμένα αέρια. Τα ανόργανα συστατικά αναφέρονται συνολικά με τον όρο άλατα. Η αλατότητα, S, αναφέρεται στη μάζα των διαλυμένων ανόργανων ουσιών ανά μονάδα μάζας θαλασσινού νερού. Εκφράζουμε την αλατότητα σε ppt, ( ), psu, ή ως αδιάστατη. Αλατότητα 35 σημαίνει ότι υπάρχουν 35 g διαλυμένων ανόργανων ουσιών ανά 1 kg νερού.

30 Αλατότητα (Salinity) Η διαλυμένη ποσότητα επηρεάζει τη πυκνότητα του νερού, τη συμπιεστότητα, το σημείο πήξης και το σημείο μέγιστης πυκνότητας, και άρα η αλατότητα θα πρέπει να προσδιορίζεται. Ορισμός Forchammer: Συνολική ποσότητα διαλυμένων αλάτων σε 1 κιλό νερού, όταν όλα τα ανθρακικά ιόντα μετατραπούν σε οξείδια, όλα τα ιόντα βρωμίου και ιωδίου έχουν αντικατασταθεί από ιόντα χλωρίου και το οργανικό υλικό έχει πλήρως οξειδωθεί.

31 Αλατότητα (Salinity)

32 Αλατότητα (Salinity) Ο Νόμος της Σταθερής Αναλογίας (Dittmar, 1884) περιέγραψε το γεγονός ότι η σύσταση του θαλασσινού νερού παραμένει χωρικά αμετάβλητη. Γιατί? Η εισροή αλάτων στον ωκεανό οφείλεται στην διάβρωση και την αποσάθρωση των ηπείρων, άρα είναι πολύ αργή διεργασία (της τάξης των ετών) σε σχέση με το ρυθμό ανάμειξης του ωκεάνιου νερού (της τάξης των ετών). Άρα ο προσδιορισμός της συγκέντρωσης ενός και μόνο διαλυμένου άλατος αρκεί για το προσδιορισμό της συγκέντρωσης όλων των αλάτων άθροιση και προσδιορισμός αλατότητας Συντηρητική παράμετρος.

33 Προσδιορισμός Αλατότητας Για το προσδιορισμό της αλατότητας χρησιμοποιούμε συνήθως τη χλωριότητα (Chlorinity), δηλ. τη μάζα των ιόντων χλωρίου, βρωμίου και ιωδίου που υπάρχουν σε καθορισμένη μάζα νερού, στο οποίο επενεργεί άργυρος, θεωρώντας ότι οι μικρές ποσότητες των ιόντων βρωμίου και ιωδίου έχουν αντικατασταθεί από ιόντα χλωρίου. Cl - + AgNO 3 AgCl + NO - 3 Ο χλωριούχος άργυρος δημιουργεί ίζημα λευκού χρώματος. Η αλατότητα μέσω της χλωριότητας προσδιορίζεται από το τύπο :

34 Προσδιορισμός Αλατότητας Σήμερα η μέτρηση αλατότητας μέσω της χλωριότητας εγκαταλείφθηκε και πλέον αυτή γίνεται με τη μέτρηση αγωγιμότητας (conductivity) απαιτεί ταυτόχρονη μέτρηση θερμοκρασίας. C = f(t, S, p) Η αλατότητα που προκύπτει με το νέο τρόπο προσδιορισμού καλείται πρακτική αλατότητα (practical salinity). Μονάδα μέτρησης αγωγιμότητας: ms/cm (χρήση αγωγιμόμετρου, σαλινόμετρου, CTD, Seacat)

35 Αλατότητα (Salinity) Συντηρητική παράμετρος στον ωκεανό άρα η συγκέντρωσή της δεν μεταβάλλεται λόγω βιογεωχημικών διεργασιών, παρά μόνο φυσικών διεργασιών, όπως: Μεταφορά νερού (advection) Μείξη (diffusion, dispersion) Εξάτμιση (Evaporation) Βροχόπτωση (Precipitation) Στερεοποίηση (Freezing)

36 Αλατότητα (Salinity) Practical Salinity Unit, S, προκύπτει από το λόγο: Κ 15 = C 15,5 /C 15,35, όπου C 15,35 = mhom/cm ή ms/cm. S = α ο + α 1 Κ 15 1/2 + α 2 Κ 15 + α 3 Κ 15 3/2 + α 4 Κ α 5 Κ 15 5/2 α ο = , α 1 = , α 2 = , α 3 = , α 4 = , α = Σα i = 35 Διατήρηση Άλατος σταθερή ποσότητα άλατος στους ωκεανούς 5 Χ kg Οι ποταμοί μεταφέρουν άλας της τάξης των 3 Χ kg/yr Άρα η ετήσια αύξηση άλατος στον ωκεανό, είναι: 35 (35+ S) = S =

37 Πυκνότητα Νερού (Density) Εκφράζεται σε kg/m 3 κυμαίνεται από kg/m 3 0 σ t ρ = f(t, S, p) σ Τ,S,p = density 1000 τυπικό ωκεάνιο νερό σ T,S,p = 25 Θεωρούμε αμελητέα την επίδραση της πίεσης σ T,S,0 ή σ T, σ θ πυκνότητα νερού όταν η πίεση είναι η ατμοσφαιρική mber ber ry Pressure (dbars) June September November February 80 (c)

38 Πυκνότητα Νερού (Density) Το σ T μεταβάλλεται κατά την ίδια ποσότητα: όταν ΔΤ = 1 ο C, ΔS = 0,1 psu, Δp = 50 μ. Το σ T = f(t, S) μη γραμμική σχέση χρήση πινάκων ή πολυωνυμικών εκφράσεων Η μη γραμμική μεταβολή σ Τ με θερμοκρασία caballing Υδάτινος τύπος Α (Τ 1, S 1 ) Υδάτινος τύπος B (Τ 2, S 2 ) Αναλογία m 1 :m 2 m1 T1 + m2 T2 T = m1 + m2 m1 S1 + m2 S2 S = m + m 1 2

39 Το Caballing σχετίζεται με τη μείξη νερού ίδιας πυκνότητας (Α και Β) σε ίσες αναλογίες ώστε να παραχθεί νερό πυκνότητας C το οποίο είναι μεγαλύτερης πυκνότητας και βυθίζεται

40 Πυκνότητα Νερού (Density) Γραμμή μέγιστης πυκνότητας από 4 ο C (S = 0) έως 2 ο C (S = 25) άρα, στα γλυκά και υφάλμυρα νερά (S < 24,7) η μέγιστη πυκνότητα συμβαίνει πριν το σημείο στερεοποίησης, συνεπώς το νερό βυθίζεται θερμαίνεται και οξυγονώνονται τα βαθύτερα στρώματα. Ταυτόχρονα το νερό πυθμένα ανέρχεται στην επιφάνεια, μεταφέρει θρεπτικά άλατα και αυξάνει η παραγωγικότητα της λίμνης.

41 Επιπλέον ψύξη κάτω των 4 ο C μειώνει τη πυκνότητα του νερού, το οποίο ως ελαφρύτερο παραμένει στην επιφάνεια και στερεοποιείται (μονωτικός πάγος, αποτροπή θερμικών απωλειών)

42 Πυκνότητα Νερού (Density) Στα νερά αλατότητας S = 24,7 η θερμοκρασία στερεοποίησης είναι ίση με τη θερμοκρασία μέγιστης πυκνότητας (-1,33 ο C) Στα νερά αλατότητας S > 24,7 η ψύξη του νερού προκαλεί συνεχή κατακόρυφη κυκλοφορία ως τους 1,33 ο C. Η θερμότητα αποθηκεύεται σε όλη την υδάτινη στήλη υστέρηση ψύξης. Όταν S = 35, Τ στερεοποίησης = -2 ο C ; T μέγιστης πυκνότητας = -3,4 ο C

43 Πυκνότητα Νερού (ρ) Ειδικό βάρος νερού ρ/ρ w όπου ρ w : πυκνότητα απεσταγμένου νερού στους 4 ο C. σ = (ρ 1000) σ S,T,p = (ρ S,T,p 1000) α S,T,p = 1/ρ S,T,p (Ειδικός όγκος, specific volume, m 3 /kg) α S,T,p = α 35,0,p + δ Standard Specific specific + Volume Volume Anomaly δ = δ S + δ Τ + δ S,Τ + δ S,p + δ T,p + δ S,T,p Δ S,T = δ S + δ Τ + δ S,Τ S , T = m kg + σ t κυμαίνεται μεταξύ 50 έως cm 3 /gr 1 Ο όρος που εκφράζει την επίδραση της θερμοκρασίας και της αλατότητας στη πυκνότητα καλείται θερμoστερική ανωμαλία (thermosteric anomaly).

44 Επίδραση Τ, S στη πυκνότητα Νερού (σt) 1. Η μεταβολή του σ t σε σχέση με την αλατότητα είναι ομοιόμορφη, σχεδόν σε όλη τη κλίμακα αλατότητας. 2. Η μεταβολή του σ t με τη θερμοκρασία δεν είναι ομοιόμορφη. 3. Στις χαμηλές θερμοκρασίες (π.χ., πολικές περιοχές) η θερμοκρασία δεν είναι ο καθοριστικός παράγοντας για τη μεταβολή της πυκνότητας. Απαιτείται μεγάλη μεταβολή θερμοκρασίας για να μεταβληθεί η πυκνότητα. 4. Στις υψηλές θερμοκρασίες (π.χ., τροπικές περιοχές) είτε υψηλές είτε για χαμηλές αλατότητες ο καθοριστικός παράγοντας για τη μεταβολή της πυκνότητας είναι η θερμοκρασία.

45 Στις υψηλές θερμοκρασίες η παράμερος σ t μεταβάλλεται σημαντικά με το ΔΤ, ενώ στις χαμηλές θερμοκρασίες η παράμετρος σ t μεταβάλλεται λιγότερο με το ΔΤ (ειδικότερα στις χαμηλές αλατότητες). Αντίθετα, η μεταβολή του σ t με την αλατότητα είναι περίπου ίδια σε όλο το εύρος αλατότητας και θερμοκρασίας.

46 Διαγραμματική Απεικόνιση Δεδομένων Τ, S, σ Κατακόρυφα προφίλ T (μπλέ γραμμή), S (πράσινη γραμμή) και σ (κόκκινη γραμμή) όπως μετρήθηκε από CTD στο Νότιο Ατλαντικό Ωκεανό (45S 50W).

47 Θερμοκλινές - Thermocline Είναι η περιοχή του προφίλ όπου η θερμοκρασία μεταβάλλεται απότομα με το βάθος και διαχωρίζει το επιφανειακό στρώμα από το στρώμα πυθμένα.

48 Θερμοκλινές - Thermocline Το θερμοκλινές υπάρχει σε όλους τους ωκεανούς, εκτός από τις πολικές και υπο-πολικές περιοχές. Το βάθος στο οποίο απαντάται ποικίλει από 50 έως 1000 μ. Αυτό το θερμοκλινές καλείται μόνιμο θερμοκλινές (permanent thermocline). Η θέση του ποικίλλει ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος. Στις τροπικές περιοχές βρίσκεται από 200 m έως 1000 m. Ωστόσο, το βάθος του θερμοκλινούς μεταβάλλεται και εποχιακά, ειδικά στα μεσαία γεωγραφικά πλάτη, όπου εμφανίζεται ένα δεύτερο πιο ρηχό θερμοκλινές (πάνω από τα 50 μ) κυρίως το καλοκαίρι. Το θερμοκιλινές αυτό καλείται εποχιακό θερμοκλινές.

49 Τ-S Διαγράμματα Υδάτινες Μάζες & Μείξη Μέθοδος απεικόνισης των υδρογραφικών δεδομένων. Είναι η αποτύπωση του ζεύγους T-S για κάθε μέτρηση που παίρνουμε από το CTD. Τα ζεύγη τιμών T-S δημιουργούν ένα νέφος σημείων που ακολουθούν μία καμπύλη. Δεδομένα σταθμού στις 9 ο S στον Ατλαντικό Ωκεανό. Οι αριθμοί αντιπροσωπεύουν το βάθος της κάθε μέτρησης. Παρατηρούμε ότι η καμπύλη έχει ένα χαρακτηριστικό S- σχήμα. Τέτοιες καμπύλες χρησιμοποιούνται για να προσδιορίσουμε τις διάφορες υδάτινες μάζες και το βαθμό της μεταξύ τους ανάμειξης.

50

51

52

53

54

55

56

57

58 Τ-S Διαγράμματα Κατά το σχηματισμό μίας υδάτινης μάζας αυτή αποκτά μία χαρακτηριστική τιμή Τ,S. Κατά τη κίνησή της η τιμή αυτή διατηρείται, καθώς η διάχυση θερμότητας και άλατος είναι πολύ αργή διεργασία ανίχνευση μετακίνησης υδάτινων μαζών. Το διάγραμμα T,S είναι η γραφική απεικόνιση της εξίσωσης της κατάστασης. T,S διαγράμματα χρησιμοποιούνται: α) για την ανίχνευση υδάτινων μαζών, β) περιγραφή χαρακτηριστικών υδάτινων μαζών, γ) ανίχνευση σφαλμάτων μέτρησης Οι T,S καμπύλες είναι: α) σταθερές για μεγάλες ωκεάνιες περιοχές, β) χαρακτηριστικού σχήματος γ) ευθύγραμμες στα επιφανειακά νερά

59 Η θέση της καμπύλης T-S σε σχέση με τις ισόπυκνες καμπύλες καθορίζει την ευστάθεια της κατακόρυφης κατανομής του θαλασσινού νερού. Αν η πυκνότητα σ t αυξάνεται μεταξύ διαδοχικών σημείων που αντιπροσωπεύουν αύξηση βάθους, τότε η κατάσταση ισορροπίας είναι ευσταθής, για αυτό το τμήμα της καμπύλης. Αν η πυκνότητα ελαττώνεται μεταξύ δύο σημείων που αντιπροσωπεύουν αύξηση βάθους, τότε η ισορροπία είναι ασταθής. Αν η πυκνότητα παραμένει σταθερή με το βάθος αυξανόμενο, τότε η ισορροπία είναι ουδέτερη.

60 Πίεση και Βάθος Πίεση (Pressure): Δύναμη ανά μονάδα επιφάνειας που ασκείται πλευρικά μίας υδάτινης μάζας Μονάδες δύναμης: Μ L/T 2 (F = m a) Μονάδες πίεσης: (F/L 2 ) = M/(L T 2 ) = Nt / m 2 = 1 Pa Η Ατμοσφαιρική πίεση μετριέται σε bar (1 bar = 10 6 dynes/cm 2 = 10 5 Pa) Η ωκεάνια πίεση μετριέται σε dbar (1 dbar = 10-1 bar = 10 5 dynes/cm 2 = 10 4 Pa). Η πίεση σε ένα συγκεκριμένο βάθος εξαρτάται από την υπερκείμενη στήλη νερού. P = ρ g z (αν g = 9.81 m/sec 2, ρ = 1025 kg/m 3, z = 100 m p = 100,55 dbar) Η πίεση μεταβάλλεται στον ωκεανό μεταξύ dbar.

61 Επίδραση Πίεσης στη Πυκνότητα Έστω ένα δείγμα νερού με S=35%o και Τ=0 ο C. Θα έχει πυκνότητα στην επιφάνεια της θάλασσας σ S,t,0 = 28,13. Το ίδιο δείγμα νερού σε βάθος μ με S=35%o, Τ=0 ο C θα έχει πυκνότητα σ S,t,4000 = 48,49. Αυτό σημαίνει ότι το ωκεάνιο νερό δεν είναι τελείως ασυμπίεστο.

62 Δυναμική Πυκνότητα Νερού (Potential Density) Δυναμική πυκνότητα είναι η πυκνότητα μίας μάζας νερού που κινείται αδιαβατικά στην επιφάνεια ή σε άλλο επίπεδο αναφοράς (σ 1, σ 2 ). Συνήθως η δυναμική θερμοκρασία στο επίπεδο αυτό χρησιμοποιείται για τη δυναμική πυκνότητα. Το ψυχρό νερό έχει υψηλότερη συμπιεστότητα από το θερμό. Έτσι οι ψυχρές μάζες νερού γίνονται πυκνότερες από τις θερμές μάζες της ίδιας πίεσης. Το φαινόμενο της εξάρτησης της συμπιεστότητας από τη θερμοκρασία έχει την εξής επίπτωση: Το νερό της Μεσογείου είναι υψηλής αλατότητας και σχετικά θερμό Το νερό της ράχης Ισλανδίας Γροιλανδίας είναι χαμηλής αλατότητας και πολύ ψυχρό. Και οι δύο μάζες νερού έχουν την ίδια πυκνότητα, αλλά το GSW είναι ψυχρό, άρα συμπιέζεται περισσότερο, γίνεται πυκνότερο και κινείται στο πυθμένα.

63

64 Στατική Ευστάθεια Στήλης (Static Stability) ρ -z1 ρ ο ρ +z1 -z 1 z o +z 1 Μετακίνηση από βάθος z o σε βάθος z 1 ρ -z1 < ρ ο (ρ ο - ρ -z1 ) > 0, άρα κίνηση μάζας νερού για επιστροφή στη θέση ισορροπίας (ευσταθής ισορροπία stable stability). Επιτάχυνση κίνησης ανάλογη της διαφοράς πυκνοτήτων = g dt dw ρ ρο z1 ρ ο

65 Στατική Ευστάθεια Στήλης (Static Stability) ρ -z1 ρ ο ρ +z1 -z 1 z o +z 1 Μετακίνηση από βάθος z o σε βάθος +z 1 ρ +z1 > ρ ο (ρ ο - ρ +z1 ) < 0 άρα μη επαναφορά υδάτινης μάζας στη θέση ισορροπίας (ασταθής ισορροπία unstable stability). Αν (ρ ο - ρ z1 ) = 0, τότε παραμονή υδάτινης μάζας στη θέση που βρέθηκε (ουδέτερη ισορροπία, neutral stability). Μέτρο της ευστάθειας μίας στήλης νερού είναι η παράμετρος Αν Ε>0 ευσταθής, Ε<0 ασταθής και Ε = 0 ουδέτερη Brunt Vaisala Frequency N = (ge), T = 2π/Ν E = Μικρά Τ (1 min) E = 10-5 cm -1 (Ρηχά νερά) Μεγάλα Τ (3-5 ώρες) Ε = 10-9 cm -1 (Βαθιά νερά) 1 ρ dρ dz

66 Υψηλή τιμή Ν 2 αντιστοιχεί σε υψηλή στρωματοποίηση της υδάτινης στήλης

67 Ο ωκεανός είναι στρωματοποιημένος σε όλο το βάθος του.

68 Συμπεριφορά Ήχου στη θάλασσα Ήχος : Εκπομπή μηχανικής ενέργειας με τη μορφή κυμάτων. Ο Ήχος στον ωκεανό χρησιμοποιείται από τα θηλαστικά, όπως οι φάλαινες για την επικοινωνία τους. Χρησιμοποιείται από τους επιστήμονες για τη μέτρηση του βάθους, ενώ ο τρόπος διάδοσής του μπορεί να χρησιμοποιηθεί για το προσδιορισμό παραμέτρων όπως η θερμοκρασία νερού και η θολερότητα.

69 Συμπεριφορά Ήχου στη θάλασσα Ηχητικά κύματα: δεν διασπείρονται κινούνται με σταθερή ταχύτητα ανεξαρτήτου μήκους κύματος. Υπολογισμός βάθους με ηχοβολιστή: D = ½ Χρόνος κίνησης C (Ταχύτητα Ήχου) E ρ C = Ε: αδιαβατική συμπιεστότητα και ρ η πυκνότητα νερού 2 3 C = T 0.055T T ( T)( S 35) z Στα ρηχά νερά η ταχύτητα ήχου εξαρτάται κυρίως από τη θερμοκρασία Στα βαθιά νερά η ταχύτητα ήχου εξαρτάται κυρίως από τη πίεση Η ταχύτητα ήχου αυξάνει με την αύξηση T,S,p η επίδραση του S είναι πολύ μικρή

70 Προσδιορισμός Βάθους με τη χρήση ηχοβολιστικού βυθομέτρου Οι ηχοβολιστές αντιλαμβάνονται τη βαθυμετρία του πυθμένα με την εκπομπή ηχητικών κυμάτων από το σκάφος και μετρώντας το χρόνο που απαιτείται για να επιστρέψουν τα κύματα αυτά. Αν η ταχύτητα διάδοσης του ήχου είναι γνωστή, και ο χρόνος επαναφοράς μετρηθεί, τότε η απόσταση από το σκάφος ως το πυθμένα γίνεται επίσης γνωστή. Η τεχνική αυτή εφαρμόσθηκε αρχικά από το Γερμανικό ωκεανογραφικό σκάφος Meteor το d= C t C = 1449,22 m/s 2

71 Συμπεριφορά Ήχου στη θάλασσα Στους ωκεανούς ο ήχος οφείλεται στη θραύση κυμάτων, στη κίνηση ρευμάτων, στη βροχόπτωση, στη τριβή πυθμένα, στους οργανισμούς. Ο ήχος αυτός δεν γίνεται αντιληπτός στην ατμόσφαιρα λόγω του υψηλού δείκτη διάθλασης C W /C a = 4.5.

72 Συμπεριφορά Ήχου στη θάλασσα SOFAR (Sound Fixing And Ranging) περιοχές χαμηλού C περικλειόμενες από περιοχές υψηλού C εγκλωβισμός ηχητικής ενέργειας και κίνησή της για εκατοντάδες χλμ. Θερμοκρασιακή αναστροφή και διάδοση ήχου κατά μήκος του SOFAR axis.

73 Συμπεριφορά Ήχου στη θάλασσα Διακρίνουμε τρεις ζώνες στο κατακόρυφο προφίλ ταχύτητας ήχου: 1. Ζώνη μ βάθος καλά αναμεμειγμένη ως προς τη θερμοκρασία και την αλατότητα η ταχύτητα ήχου αυξάνει ελαφρά με το βάθος λόγω πίεσης 2. Ζώνη 2. από μ βάθος η ταχύτητα ήχου μειώνεται λόγω απότομης μείωσης Τ & S. 3. Ζώνη 3. από 1500 έως το πυθμένα αύξηση ταχύτητας ήχου λόγω πίεσης, καθώς T & S είναι σχεδόν σταθερά.

74 Ο Ηχοβολιστής Πλευρικής Σάρωσης (ΗΠΣ) - Side Scan Sonar CMAX-CM2

75 Ο Ηχοβολιστής Πλευρικής Σάρωσης (ΗΠΣ) - Side Scan Sonar CMAX-CM2

76

77 Bottom Coverage & Data Density by Survey Method Leadline Single Beam Multibeam 1-2 K soundings per survey K soundings per survey 400,000 1,000,000 K soundings per survey Image courtesy of NOAA & UNH

78

79

80 Acoustic Current Doppler Profiler (ADCP) Αρχή λειτουργίας: Η συνισταμένη ταχύτητα ενός ακουστικού σήματος είναι το διανυσματικό άθροισμα της ταχύτητας του νερού και της ταχύτητας του ήχου. Εκπομπή σήματος υψηλής συχνότητας ( khz) ανάκλαση σήματος σε κινούμενα σωματίδια διαφόρων βαθών μεταβολή συχνότητας σήματος λόγω φαινομένου Doppler υπολογισμός ταχύτητας νερού 1 fk ( ) c 2 f VK = cosθ k Όπου k : βάθος k C : ταχύτητα ήχου (m/s) Δf : μεταβολή συχνότητας ήχου (Hz) f : συχνότητα ήχου (Hz) V k : σχετική ταχύτητα (m/sec) θ κ : γωνία μεταξύ ανύσματος ταχύτητας και ανύσματος ταχύτητας ήχου

81 Acoustic Current Doppler Profiler (ADCP)

82 Πόντιση ADCP και θολερόμετρου στο βυθό στις εκβολές π. Νέστου

83 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ TRITON Σύστημα ADCP Sentinel 300 KHz (TRDI) Περιλαμβάνει: κατευθυντικό κυματογράφο (Wave Array) κατευθυντικό ρευματογράφο σε ολόκληρη την υδάτινη στήλη (directional current-meter) παλιρροιογράφο (tide gauge) αισθητήρα μέτρησης θερμοκρασίας νερού πυθμένα Σύστημα καταγραφής θολερότητας OBS 3A Περιλαμβάνει: Αισθητήρα πίεσης Αισθητήρα αγωγιμότητας Αισθητήρα θερμοκρασίας

84 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΥΜΑΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ

85 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΥΜΑΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ

86 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΡΕΥΜΑΤΩΝ ΥΔΑΤΙΝΗΣ ΣΤΗΛΗΣ

87 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΡΕΥΜΑΤΩΝ ΥΔΑΤΙΝΗΣ ΣΤΗΛΗΣ

88 Αρμονική Ανάλυση και Προσδιορισμός Μη-Παλιρροιακής Μεταβολής

89 ΣΧΕΣΗ ΑΝΕΜΟΥ ΜΗ-ΠΑΛΙΡΡΟΙΑΚΗΣ ΣΤΑΘΜΗΣ Wind Vectors Barometric Pressure (hpa) Non-Tidal Sea Level (m) Year Days

90 Συμπεριφορά Φωτός στη θάλασσα Απορρόφηση ορατού φωτός (0,4 0,7 μm) σε πολύ μικρότερες αποστάσεις στο νερό παρά στην ατμόσφαιρα. Ένταση προσπίπτουσας φωτεινής ακτινοβολίας I Z = I o exp (-kz) όπου Ι ο η ένταση της φωτεινής ακτινοβολίας στην επιφάνεια του νερού, Ι Ζ η ένταση της φωτεινής ακτινοβολίας σε βάθος z k ο συντελεστής κατακόρυφης διάχυσης φωτός (light vertical attenuation coefficient) Ο συντελεστής k εξαρτάται από την απορροφητική ικανότητα του νερού και το μήκος κύματος του εισερχόμενου φωτός διαύγεια νερού (βάθος Secchi disc) k = 0,02 (διαυγής ωκεανός μπλε χρώμα υψηλή τιμή SD), k = 0,2-2 (τυρβώδης ωκεανός πράσινο με κίτρινο χρώμα - χαμηλή τιμή SD)

91 Πίνακας 5. Ενέργεια φωτός που διεισδύει σε δεδομένα βάθη σαν ποσοστό της επιφανειακής ενέργειας. Βάθος (μ) Συντελεστής κατακόρυφης διάχυσης, k (m -1 ) Καθαρά νερά ωκεανού Τυρβώδη νερά ωκεανού 0,02 0,2 2 0 Ι ο = 100% 100% 100% 100% 100% 1 Ι z = ,5 0

92 Συμπεριφορά Φωτός στη θάλασσα Η ευφωτική ζώνη (euphotic zone) συνήθως ορίζεται ως η περιοχή του ωκεανού όπου Ι Z / I o = 0,01. turbidity sensor Λειτουργεί με βάση το ποσοστό της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας που φθάνει σε ένα δέκτη ακτινοβολίας τοποθετημένο σε σταθερή απόσταση από ένα πομπό επιτρέπει τον υπολογισμό του συντελεστή διάχυσης φωτός Secchi Disk Depth επιτρέπει τον υπολογισμό του k μέσω της εξίσωσης : k = 1,6 / SD (με το SD να κυμαίνεται μεταξύ 0,5 50 μ)

93 Θολερόμετρο (Turbidity meter)

94 Συμπεριφορά Φωτός στη θάλασσα Δορυφορική ωκεανογραφία χλωροφύλλη και αιωρούμενα στερεά (SPM) απορροφούν και ανακλούν το φως σε διαφορετικά μήκη κύματος Μέτρηση ωκεάνιου χρώματος με αισθητήρες ορατού και υπέρυθρου φάσματος (visible and NIR sensors) προσδιορισμός επιφανειακών συγκεντρώσεων χλωροφύλλης και αιωρούμενων στερεών. CZCS (Coastal Zone Color Scanner) λειτουργεί με τέσσερα κανάλια (περιοχές φάσματος φωτός) ορατού και 1 υπέρυθρου φάσματος καταγράφει την ένταση της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας από διάφορες περιοχές του ωκεανού στα διάφορα κανάλια φάσματος. Συσχέτιση μεταξύ SPM και της υψηλής τιμής της έντασης της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας στο φάσμα του κίτρινου χρώματος. Συσχέτιση μεταξύ χλωροφύλλης και της υψηλής τιμής της έντασης της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας στο φάσμα του πράσινου χρώματος.

95 Προσδιορισμός επιφανειακής χλωροφύλλης-α με αισθητήρα CZCS

96