ΔΙΑΛΕΞΗ 1 Οι ιδιότητες του θαλασσινού νερου

Transcript

1 ΔΙΑΛΕΞΗ 1 Οι ιδιότητες του θαλασσινού νερου Περιεχόμενα: 1. Εισαγωγή 2. Βασικές ιδιότητες θαλασσινού νερου i. Αλατότητα ii. iii. Θερμοκρασία Πυκνότητα και στρωμάτωση 3. Άλλες ιδιότητες 4. Μάζες νερού και κατανομή τους

2 ΦΥΣΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ

3 Οι αναλογίες των βασικών διαλυμένων συστατικών του ωκεανού Dissolved Ion Chemical Formula and Charge % by weight of dissolved ions % by weight of seawater Chloride (Cl - ) Sodium (Na + ) Sulfate (SO 4 2- ) Magnesium (Mg + ) Calcium (Ca 2+ ) Potassium (K + ) Bicarbonate (HCO 3 - ) Bromide (Br - ) Boric Acid (H 3 BO 3 ) Strontium (Sr 2+ ) Fluoride (F - ) Total ΑΛΑΤΟΤΗΤΑ Οι αναλογίες των βασικών συστατικών είναι παντού ίδια στον ωκεανό!! The "law" of constant proportions (Dittmar, 1884)

4 Αν γνωρίζουμε την ποσότητα ενός συστατικού σε δείγμα θαλάσσιου νερού, μπορούμε να γνωρίζουμε την ποσότητα για όλα τα συστατικά. Άρα, αν μετρήσουμε ένα συστατικό ξέρουμε την ποσότητα όλων των συστατικών! Μία ιδιότητα ΑΛΑΤΟΤΗΤΑ Χονδρικός (παραδοσιακός) ορισμός : Η ποσότητα στερεών ουσιών (σε gr) σε ένα kg θαλασσινού νερού,... μετά από κάποιες χημικές διεργασίες ΑΛΑΤΟΤΗΤΑ Αυτό πλέον έχει καταργηθεί (όχι πρακτικό, μικρές ακρίβειες, συνδυασμοί αυτών) και η αλατότητα συνδέθηκε με την αγωγιμότητα του νερού διαφορετικών ιδιοτήτων.

5 Μέτρηση αλατότητας: Evaporate a sample to dryness and weigh the residue. (not practical, especially at sea; not accurate) Traditional method (through the 1960s): titrate seawater samples with AgNO 3, precipitate the halogens, determine the amount of Cl, then scale-up to S from the ratios of other constitutents. Good to about 20 ppm, or 0.02 o / oo. S ( o / oo ) = Cl, where Cl is the chlorinity Since the 1970s, we have used the Practical Salinity Scale. C = C (S, T, p) S = S (C, T, p); This is good to o / oo or less. This is based on the electrical conductivity of seawater rather than a chemical determination. Conductivity C can be measured very precisely. Method: determine the conductivity of a seawater sample relative to a known standard ( standard seawater ), add T and p, then infer S from the function. ΑΛΑΤΟΤΗΤΑ Practical Salinity Unit (psu) ορίζεται ως η αγωγιμότητα πρότυπου δείγματος νερού. Πρόσφατα αποφασίστηκε να παρουσιάζεται ως αδιάστατη ιδιότητα. (Με τον ορισμό αυτό η αλατότητα δεν αντιστοιχεί πλέον σε γραμμάρια ανά λίτρο!).

6 Η θερμοκρασία επηρεάζει την ηλεκτρική αγωγιμότητα του θαλάσσιου νερού: ΑΛΑΤΟΤΗΤΑ

7 Όργανα μέτρησης αλατότητας: ΑΛΑΤΟΤΗΤΑ CTD - SALINOMETER

8 Επιφανειακή κατανομή αλατότητας:

9 Salinity: Atlantic Ocean at 25 o W

10 Salinity: Pacific Ocean at 150 o W

11 Salinity: Indian Ocean at 95 o E

12 E = E P R Ο υδρολογικός κύκλος (μαζί με την κυκλοφορία και την ανάμιξη) καθορίζει την κατανομή αλατότητας των ωκεανών. ΑΛΑΤΟΤΗΤΑ

13 Η θερμοκρασία είναι θερμοδυναμική ιδιότητα ενός ρευστού, λόγω της μοριακής κίνησης μέσα σε αυτό( εντονότερες κινήσεις οδηγούν σε υψηλότερη θερμοκρασία). Η θερμοκρασία είναι μέτρο του θερμικού περιεχομένου και συνδέεται με τη θερμότητα μέσω της ειδικής θερμότητας. Μονάδες μέτρησης: Στην ωκεανογραφία χρησιμοποιούμε βαθμούς Κελσίου ( o C) Για θερμικό περιεχόμενο και ροές θερμότητας πρέπει να χρησιμοποιούνται βαθμοί Κέλβιν ( ο Κ) (απουσία ροής νερού, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε o C) 0 ο C = ο K ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ Βαθμοί Φαρενάιτ ( ο F) C=F*(5/9)+32

14 Όργανα μέτρησης θερμοκρασίας: Reversing thermometer CTD Thermosalinograph

15 Τυπική κατακόρυφη κατανομή θερμότητας: Στρώμα ανάμιξη Θερμοκλινές Βαθιά νερά ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ

16 Δυνητική θερμοκρασία: Το νερό είναι λίγο συμπιεστό Δυνητική θερμοκρασία ονομάζεται η θερμοκρασία του νερού αν αυτό μεταφερθεί αδιαβατικά στην επιφάνεια της θάλασσας

17 Επιφανειακή κατανομή θερμοκρασίας:

18 Potential Temperature: Atlantic Ocean at 25 o W

19 Potential Temperature: Pacific Ocean at 150 o W

20 Potential Temperature: Indian Ocean at 95 o E

21 Η θερμοκρασία καθορίζεται από τη ροή θερμότητας με την ατμόσφαιρα, την κυκλοφορία και ανάμιξη. ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ

22 Πίεση είναι η δύναμη ανά μονάδα επιφάνειας που ασκεί το νερό (ή ο αέρας στην ατμόσφαιρα) πάνω στη μονάδα επιφάνειας. Η δύναμη λόγω πίεσης εμφανίζεται λόγω διαφορά πίεσης μεταξύ δύο σημείων (βαθμίδα πίεσης). Έχει κατεύθυνση από την υψηλή προς τη χαμηλή πίεση. Στον ωκεανό, η κατακόρυφη δύναμη βαρύτητας εξισοροπείται από την κατακόρυφη βαθμίδα πίεσης. Για το λόγο αυτό είναι αναμενόμενο ότι η πίεση αυξάνεται με το βάθος. Η πίεση σε ορισμένο βάθος εξαρτάται από τη μάζα του υπερκείμενου ρευστού (Υδροστατική Εξίσωση). ΠΙΕΣΗ Π.χ. Αν η μεταβολή πίεσης είναι 100 decibars (100 dbar), η έπιτάχυνση της βαρύτητας g = 9.8 m/sec 2, και η πυκνότητα του νερού 1025 kg/m 3, τότε η μεταβολή του βάθους είναι μέτρα.

23 Όργανα μέτρησης πίεσης: Παλιότερα με διπλό αναστρεφόμενο θερμόμετρο (προστατευόμενο και μη) Σήμερα με ηλεκτρονικά όργανα Μονάδες μέτρησης: CGS: dynes/cm 2. MKS: Newtons/m 2, and 1 Pascal = 1 Newton/m 2. Atmospheric pressure is usually measured in bars: 1 bar = 10 6 dynes/cm 2 = 10 5 Pascal Ocean pressure is usually measured in decibars: 1 dbar = 10-1 bar = 10 5 dyne/cm 2 = 10 4 Pascal ΠΙΕΣΗ Το βάθος συνήθως δίνεται σε μονάδες πίεσης 1dbar 1meter βάθους

24 Πυκνότητα είναι η μάζα στη μονάδα του όγκου. ρ=m/v Εξαρτάται (βασικά) από την αλατότητα, τη θερμοκρασία και την πίεση: ρ=ρ(s,t,p) Καταστατική εξίσωση (ορισμένη από εργαστηριακά πειράματα) Η πυκνότητα δεν μετράται αλλά υπολογίζεται από τα χαρακτηριστικά του θαλάσσιου νερού και τήν πίεση. Μονάδες: Kg/m 3 (CGS: gr/cm 2 ) ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ Συνήθως χρησιμοποιούμε την πιο εύχρηστη density anomaly ή απλά σίγμα: σ = ρ 1000 kg/m 3 = σ(s,t,p)

25 Η καταστατική εξίσωση δεν είναι γραμμική 1. Επίδραση θερμοκρασίας 2. Επίδραση αλατότητας 3. Επίδραση πίεσης ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ (see Gill, 1982: Atmosphere-Ocean Dynamics)

26 Η μη-γραμμικότητα της πυκνότητας σε σχέση με τις παραμέτρους που την καθορίζουν έχει σημαντικές επιδράσεις στην κατακόρυφη στρωμάτωση των ωκεανών και τη γενική κυκλοφορία του T/S diagram ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ

27 Θ/S diagram ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ

28 Η πυκνότητα αυξάνεται με το βάθος (την πίεση). Για το λόγο αυτό συχνά χρησιμοποιούμε τη δυνητική πυκνότητα και την αντίστοιχη σίγμα-θήτα: σ θ = ρ 0 (S,θ,0) 1000 kg/m 3 = σ(s,θ,0) ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ

29 Πιο συχνά μας ενδιαφέρουν οι ματαβολές πυκνότητας με το βάθος (και όχι η ίδια η πυκνότητα). Η συνηθέστερη έκφραση που χρησιμοποιούμε είναι η συχνότητα Brunt-Vaisala: Η συχνότητα Brunt-Vaisala στην περιοχή του βορειοδυτικού Αταλαντικού ( 20 min) ( 10 hr) ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ

30 Επιφανειακή κατανομή πυκνότητας:

31 σ θ : Atlantic Ocean at 25 o W

32 σ θ : Pacific Ocean at 150 o W

33 σ θ : Indian Ocean at 95 o E

34 Η ταχύητα του ήχου (c) στη θάλασσα είναι περίπου 1500 m/sec. Εξαρτάται από την πίεση και τη θερμοκρασία. Υψηλότερη πίεση έχει αποτέλεσμα μεγαλύτερη ταχύτητα ήχου. Το ίδιο ισχύει και για τη θερμοκρασία. Σε πολλά σημεία του ωκεανού οι υψηλές θερμοκρασίες στην επιφάνεια και οι μεγάλες πιέσεις στο βάθος οδηγεί σε μέγιστες ταχύτητες στα άκρα της θαλάσσιας στήλης και ελάχιστες σε μέσο βάθος. Αυτό ονομάζεται SOFAR channel. Όπου η επιφανειακή θερμοκρασία είναι χαμηλή στην επιφάνεια (πολικές/υπο-πολικές περιοχές), το μέγιστο της ταχύτητας του ήχου είναι υποεπιφανειακό και το SOFAR channel βρίσκεται στην επιφάνεια. TAXYTHTA HXOY

35 Κατακόρυφη δομή των βασικών χαρακτηριστικών της υδάτινης στήλης C F b TAXYTHTA HXOY Θ S

36 Τυπική στρωμάτωση του παγκόσμιου ωκεανού Άλλοι παράμετροι/ίχνη: Οξυγόνο, θρεπτικά, φρέον,...

37 Ορισμοί: Όλοι οι ορισμοί βασίζονται σε ανάλυση δύο χαρακτηριστικών του θαλάσσιου νερού (π.χ. T/S, T/O 2 ). Οι ορισμοί είναι συνήθως ασαφείς και συχνά στηρίζονται στην εμπειρία διάγνωσης αποτελεσμάτων Τύπος νερού: Ένα σημείο στο T/S διάγραμμα Μάζα νερού: (Μία γραμμή στο T/S διάγραμμα) Μία μάζα νερού με ιδαίτερα χαρακτηριστικά (T, S, O 2, ), που ορίζεται από ένα διάστημα πυκνοτήτων (βαθών).? ΜΑΖΕΣ ΝΕΡΟΥ

38 Ένα πραγματικό παράδειγμα: ΚΡΗΤΙΚΟ ΠΕΛΑΓΟΣ ΜΑΖΕΣ ΝΕΡΟΥ

39 ΜΑΖΕΣ ΝΕΡΟΥ ΜΠΛΕ: equator to Iceland ΚΟΚΚΙΝΟ: equator to about 30S ΠΡΑΣΙΝΟ: 30S to South Georgia Island Potential temperature versus salinity along 20 ο and 25 ο W in the Atlantic Ocean, from Iceland across the equator to South Georgia Island.

40 Global deep water potential temperature salinity Worthington, C 4 C ΜΑΖΕΣ ΝΕΡΟΥ Pacific Deep Water Antarctic Bottom Water Indian Deep Water North Atlantic Deep Water

41 Υδάτινες μάζες: 4 επίπεδα στον παγκόσμιο ωκεανό (1) Upper layer: ventilated thermocline. Includes Mode Waters, Central Water, subtropical Underwater (salinity maximum water) (2) Intermediate layer: Labrador Sea Water, Mediterranean Overflow Water, Red Sea Water, North Pacific Intermediate Water, Antarctic Intermediate Water (3) Deep layer: North Atlantic Deep Water, Pacific Deep Water (aka Common Water), Indian Deep Water, Circumpolar Deep Water (4) Bottom layer: Antarctic Bottom Water (aka Lower Circumpolar Deep Water) ΜΑΖΕΣ ΝΕΡΟΥ

42 ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΥΔΑΤΙΝΕΣ ΜΑΖΕΣ ΜΑΖΕΣ ΝΕΡΟΥ

43 ΜΑΖΕΣ ΝΕΡΟΥ ΕΝΔΙΑΜΕΣΕΣ/ΒΑΘΙΕΣ ΥΔΑΤΙΝΕΣ ΜΑΖΕΣ Low salinity: Labrador Sea Water, North Pacific Intermediate Water, Antarctic Intermediate Water High salinity: Mediterranean Water, Red Sea Water

44 ΜΑΖΕΣ ΝΕΡΟΥ ΥΔΑΤΙΝΕΣ ΜΑΖΕΣ ΒΥΘΟΥ Nordic Seas Overflow waters Antarctic Bottom Water in Weddell, Ross Seas and Adelie Coast

45 Atlantic Salinity (south-north section) (1) surface waters (ventilated thermocline) (1) (2) (2) Low salinity Antarctic intermediate water (3) (4) (3) High salinity North Atlantic Deep Water 30 S 24 N (4) Low salinity Antarctic bottom water

46 Salinity in the Pacific (150 W) (2) (1) (3) (4)

47 Eastern Indian water masses (1) (2) (3) (3) (4) Higher salinity - Indian Deep Water and Circumpolar Deep Water 32 S Lower salinity - Antarctic Intermediate and bottom waters (Lower Circumpolar Deep Water)