ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΣΧΟΛΗ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΣΧΟΛΗ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ < ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΤΗΤΑΣ ΤΗΣ ΜΕΣΗΣ ΣΤΑΘΜΗΣ ΗΜΙΚΛΕΙΣΤΗΣ ΛΕΚΑΝΗΣ: Η ΣΥΝΕΙΣΦΟΡΑ ΤΗΣ ΣΤΕΡΙΚΗΣ ΣΥΝΙΣΤΩΣΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΣΥΝΙΣΤΩΣΑΣ ΜΑΖΑΣ Παναγιώτης Σιαφάκας ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Επιβλέπουσα Καθηγήτρια: Ελίνα Τράγου Μυτιλήνη, Μάρτιος 2017

2 σελ. 2, Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης

3 ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Αποφοίτου του Τμήματος Επιστημών της Θάλασσας Παναγιώτης Σιαφάκας ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΤΗΤΑΣ ΤΗΣ ΜΕΣΗΣ ΣΤΑΘΜΗΣ ΗΜΙΚΛΕΙΣΤΗΣ ΛΕΚΑΝΗΣ: Η ΣΥΝΕΙΣΦΟΡΑ ΤΗΣ ΣΤΕΡΙΚΗΣ ΣΥΝΙΣΤΩΣΑΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΣΥΝΙΣΤΩΣΑΣ ΜΑΖΑΣ Τριμελής Επιτροπή Επίβλεψης και Κρίσης της Εργασίας Υπογραφές Τράγου Ελίνα Ζερβάκης Βασίλης Κρασακοπούλου Εύα Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης σελ. 3

4 σελ. 4, Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης

5 Ευχαριστίες Στο μέρος αυτό της πτυχιακής εργασίας αποτελεί το σημείο στο οποίο ο φοιτητής μπορεί να εκφράσει ελεύθερα τις ευχαριστίες του προς τους συντελεστές της επιτυχούς διεκπεραίωσης της εργασίας του (π.χ. γονείς, φίλους, καθηγητές, συναδέλφους, πιθανούς χορηγούς υποτροφίας κλπ). Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης σελ. 5

6 σελ. 6, Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης

7 Περίληψη Η μεταβολή της στάθμης της θα αποτελέσει άμεσο πρόβλημα στο μέλλον για τις παράκτιες περιοχές με χαμηλό υψόμετρο. Σύμφωνα με την αναφορά του IPCC (2013) η μέση στάθμη της θάλασσας θα αυξηθεί σε παγκόσμια κλίμακα από 0,26 μέχρι 0,82 μέτρα, εντούτοις σε τοπική κλίμακα η αύξηση της μέσης στάθμης της θάλασσας μπορεί να διαφέρει από την παγκόσμια. Η Μεσόγειος θάλασσα και οι υπολεκάνες της αποτελεί ένα παράδειγμα τοπικής μεταβολής της θαλάσσιας στάθμης που χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή για την ερμηνεία τόσο των δεδομένων όσο και των προβολών στο μέλλον. Συγκεκριμένα χρειάζεται προσοχή στη μελέτη των μεταβολών της αλατότητας και της συσχέτισής τους με τις μεταβολές της μέσης στάθμης, σύμφωνα με τη θεωρία που προτάθηκε από τους Jorda & Gomis (2013). Στη στερική συνιστώσα δεν υπολογίζονται οι αλλαγές του όγκου αλλά οι αλλαγές του όγκου ανά μονάδα μάζας (δηλ. αλλαγές πυκνότητας). Αυτό υποδηλώνει ότι η στερική συνιστώσα αντιστοιχεί σε πραγματική αλλαγή όγκου μόνο όταν η μάζα του θαλασσόνερου που εξετάζουμε παραμένει σταθερή. Αυτό συμβαίνει στην περίπτωση της θερμικής διαστολής/συστολής που παρατηρούνται όταν υπάρχουν επιφανειακές ροές θερμότητας. Αντίθετα, οι αλλαγές στην αλατότητα συχνά συσχετίζονται με αλλαγές μάζας. Συνεπώς δεν επηρεάζουν μόνο τη στερική συνιστώσα αλλά συμπεριλαμβάνουν και μια αλλαγή στη συνιστώσα της μάζας. Στην εργασία αυτή επιχειρούμε να ξεκαθαρίζουμε την ερμηνεία της στερικής συνιστώσας και της συνιστώσας της μάζας. Εντοπίζουμε τις κύριες φυσικές διεργασίες που συνεισφέρουν σε κάθε μία συνιστώσα και ιδιαίτερα στο ρόλο της αλατότητας. Χρησιμοποιούμε τη Μεσόγειο Θάλασσα και στη συνέχεια το Αιγαίο Πέλαγος σαν παράδειγμα εφαρμογής των παραπάνω σε μια ημίκλειστη λεκάνη όπου οι συνιστώσες οι οποίες διαμορφώνουν τη μέση στάθμη πρέπει να ερμηνεύονται με μεγάλη προσοχή. Εξαιτίας των σημαντικών μεταβολών στην αλατότητα που εμφανίζονται στις προβολές του κλίματος της Μεσογείου και των Ελληνικών Θαλασσών, η εσφαλμένη ερμηνεία των μεταβολών λόγω της στερικής συνιστώσας και της συνιστώσας μάζας μπορεί να καταλήξει σε σημαντικές υποεκτιμήσεις της μεταβολής της μέσης στάθμης της θάλασσας, που μπορεί να φτάσει τα ~40cm μέχρι το τέλος του 21 ου αιώνα. Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης σελ. 7

8 σελ. 8, Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης

9 Πίνακας περιεχομένων Ευχαριστίες... 5 Περίληψη Εισαγωγή Εισαγωγή στη θαλάσσια στάθμη Οι μεταβολές της στάθμης της θάλασσας ανά περιόδους Μεταβολή της στάθμης της θάλασσας στις παράκτιες περιοχές Το σχήμα της Γης Η μέση στάθμη της θάλασσας Διεργασίες Παγκόσμια μέση στάθμη της θάλασσας Τοπική μεταβολή της στάθμης της θάλασσας Κλιματικά μοντέλα Η Μεταβολή της στάθμης της θάλασσας στην Μεσόγειο θάλασσα Η μεταβολή της στάθμης της θάλασσας στο Αιγαίο και στο Ιόνιο Πέλαγος Συμπεράσματα Βιβλιογραφία.57 Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης σελ. 9

10 σελ. 10, Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης

11 1. Εισαγωγή Η αλλαγή της στάθμης της θάλασσας (sea level change) αποτελεί ένα σύγχρονο πεδίο έρευνας στη Φυσική Ωκεανογραφία. Στο κείμενο που ακολουθεί, θα εξεταστούν οι παράμετροι που καθορίζουν την στάθμη της θάλασσας, έτσι ώστε να γίνουν κατανοητά τα αποτελέσματα της έρευνας αυτής που αφορούν τη Μεσόγειο θάλασσα. Συγκεκριμένα στην παράγραφο 1.1 θα δοθεί ένα θεωρητικό παράδειγμα για την μεταβολή της στάθμης της θάλασσας, που έχει ως στόχο να δημιουργήσει το επιστημονικό ερώτημα που θα ασχοληθεί η υπάρχουσα εργασία. Η παράγραφος 1.2 αναφέρεται στις μεταβολές της θαλάσσιας στάθμης στο παρελθόν, στο παρόν και στο μέλλον σύμφωνα με την αναφορά του IPCC (2013). Η παράγραφος 1.3 αναφέρεται στις επιπτώσεις της στάθμης της θάλασσας στις κατοικημένες παράκτιες περιοχές σύμφωνα με την αναφορά του IPPC (2014). Η παράγραφος 1.4 αναφέρεται στο σχήμα της γης, η παράγραφος 1.5 αναφέρεται στις διεργασίες που μεταβάλλουν την στάθμη της θάλασσας, η παράγραφος 1.6 αναφέρεται στα κλιματικά μοντέλα που υπολογίζουν την άνοδο στάθμης της θάλασσας, τέλος η παράγραφος 1.7 αναφέρεται στην μεταβολή της στάθμης της θάλασσας στη Μεσόγειο θάλασσα. 1.1.Εισαγωγή στη θαλάσσια στάθμη Η μεταβολή της στάθμης της θάλασσας ακούγεται σαν μια απλή έννοια, όπου όλοι μπορούν να την κατανοήσουν. Μόλις όμως έρχεται η στιγμή να μετρήσεις και να ποσοτικοποιήσεις αυτή την έννοια τα πράγματα γίνονται πολύ σύνθετα. Για παράδειγμα, στο άκουσμα της φράσεις <<η άνοδος της στάθμης της θάλασσας>> οι περισσότεροι άνθρωποι θα φέρουν στο μυαλό τους την εικόνα μιας ήρεμης λίμνης διαστάσεων (1km x 1km),η στάθμη της οποίας θα ανεβοκατέβαινε ανάλογα με την εποχή. Σε αυτή τη περίπτωση η στάθμη εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον Υδρολογικό κύκλο(hydrological cycle).στη θάλασσα όπου οι διαστάσεις είναι μεγαλύτερης κλίμακας, ο Υδρολογικός κύκλος είναι μία από τις παραμέτρους που συμμετέχουν στο καθορισμό της στάθμης της θάλασσας. Ας πάρουμε την περίπτωση όπου η άνοδος της στάθμης της θάλασσας συμβαίνει όχι σε μια λίμνη, αλλά στον ωκεανό. Ας υποθέσουμε ότι ο πάγος που βρίσκεται στην Αρκτική, αρχίζει να μειώνεται με πολύ μεγάλο ρυθμό, τέτοιον ώστε μέσα σε ένα χρόνο(1 year) η παγκόσμια μέση στάθμη της θάλασσας (Global mean sea level) να ανέλθει στα 2m. Έστω ότι έχουμε τέσσερα σημεία πάνω στον ωκεανό όπου καταγράφεται η στάθμη τους από τέσσερις δορυφόρους ταυτόχρονα. Οι δορυφόροι θα καταγράψουν την στάθμη της θάλασσας στα σημεία αυτά δύο φορές. Την t1=0,δηλαδή πριν αρχίσει να λιώνει ο πάγος και την t2=1year,δηλαδή αφού λιώσει ο πάγος όπου η θαλάσσια στάθμη θα ανέλθει στα 2m. Τα τέσσερα σημεία είναι: α)η Μεσόγειος θάλασσα, β)ινδικός Ωκεανός, γ)ατλαντικός Ωκεανός, δ)ειρηνικός Ωκεανός. Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης σελ. 11

12 Το ερώτημα που δημιουργείται είναι :<< H στάθμη της θάλασσας θα είναι ίση ή διαφορετική στα σημεία α, β,γ, δ για t 1 =0 και t 2 =1year;>> Η απάντηση στο παραπάνω ερώτημα δίνεται στην παράγραφο 1.5 που αφορά στις διεργασίες της θαλάσσιας στάθμης. 1.2.Οι μεταβολές της στάθμης της θάλασσας ανά περιόδους Η στάθμη της θάλασσας δεν είναι σταθερή, αλλά μεταβάλλεται με τον χρόνο. Πριν από χρόνια η στάθμη της θάλασσας βρίσκονταν 120m χαμηλότερα από την σημερινή στάθμη. Εκείνη την περίοδο υπήρχαν περισσότεροι παγετώνες που κάλυπταν την επιφάνεια της Γης. Με το πέρασμα των αιώνων άρχισε να αλλάζει η τροχιά της γης γύρω από τον ήλιο, καθώς και ο άξονας περιστροφής της (κύκλοι Milankovitch) με αποτέλεσμα να αυξάνεται η μέση θερμοκρασία του πλανήτη μας επιφέροντας την τήξη των ηπειρωτικών παγετώνων. Το γεγονός αυτό είχες ως αποτέλεσμα να μεταβάλει το μέσο ρυθμό της παγκόσμιας στάθμης της θάλασσας ανά περιόδους. Σύμφωνα με την αναφορά του IPCC(2013) στην εικόνα.1 κατά την χρονική περίοδο Average Glacial to Interglacial (Μεσοπαγετώδης ) πριν από με χρόνια η παγκόσμια μέση στάθμη της θάλασσας είχε ρυθμό 12mmyr 1. Την χρονική περίοδο Meltwater Pulse 1A πριν από χρόνια η παγκόσμια μέση στάθμη της θάλασ σας αυξάνονταν με ρυθμό 40mmyr 1. Την περίοδο Last 2 Millennia για το χρονικό διάστημα από 13 μέχρι το 1899 η παγκόσμια μέση στάθμη της θάλασσας είχε ρυθμό κοντά στο 0.5mmyr 1. Την περίοδο του εικοστού αιώνα η παγκόσμια μέση στάθμη της θάλασσας είχε ρυθμό 1,7mmyr 1. Την χρονική περίοδο των δορυφορικών δεδομένων η παγκόσμια μέση στάθμη της θάλασσας αυξανόταν με ρυθμό 3,2mmyr 1. Εικόνα 1.(α) Εκτίμηση της μέσης παγκόσμιας στάθμης της θάλασσας σε (mm yr 1 ) για πέντε επιλεγμένες χρονικές περιόδους. Οι μπλε στήλες δείχνουν το χρονικό διάστημα της μετάβασης από μια παγετώδη σε μεσοπαγετωνική περίοδο, ενώ οι πορτοκαλή στήλες δείχνουν την τρέχουσα μεσοπαγετωνική περίοδο. Τα μαύρα διαστήματα δείχνουν τις πιθανές τιμές της μέσης παγκόσμιας στάθμης.(b) Τιμές της παγκόσμιας μέσης στάθμης της θάλασσας κατά το διάστημα του παρόντος Μεσοπαγετωνικού.(IPPC 2013, FigFAQ5.2 1) σελ. 12, Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης

13 Οι τιμές τις μέσης παγκόσμιας στάθμης της θάλασσας από τον εικοστό αιώνα μέχρι το 2012 θεωρούνται υψηλές και δεν δικαιολογούνται από τους κύκλους του Milankovitch. Μετά από την πρώτη βιομηχανική επανάσταση η συγκέντρωση του CO 2 άρχισε να αυξάνεται στην ατμόσφαιρα με αποτέλεσμα να εντείνεται το φαινόμενο του θερμοκηπίου οδηγώντας σε αύξηση της μέσης θερμοκρασίας της Γης. Στην παράγραφο 1.5 εξηγείται πως η θερμοκρασία(t) μεταβάλλει την στάθμη της θάλασσας. Για τον 21 ο αιώνα η παγκόσμια μέση στάθμη της θάλασσας θα αυξηθεί. Συγκε κριμένα το σενάριο RCP2.6 δίνει αύξηση της παγκόσμιας μέσης στάθμης της θάλασσας από 0,26 μέχρι 0,55 μέτρα για την περίοδο σε σύγκριση με την περίοδο Για τις ίδιες χρονικές περιόδους το σενάριο RCP4.5 δίνει αύξηση της παγκόσμιας μέσης στάθμης της θάλασσας από 0,32 μέχρι 0,63 μέτρα, το σενάριο RCP6.0 δίνει αύξηση της παγκόσμιας στάθμης της θάλασσας από 0,33 μέχρι 0,65 μέτρα. Το σενάριο RCP8.5 δίνει αύξηση 0,45 μέχρι 0,82 μέτρα (βλέπε εικόνα.2). Κατά την διάρκεια της περιόδου ο ρυθμός της παγκόσμιας μέσης στάθμης της θάλασσας θα κυμαίνεται από 8mmyr 1 μέχρι 16mmyr 1. Εικόνα 2. Προβολές βασισμένες σε μοντέλα για την παγκόσμια μέση στάθμη της θάλασσας για την περίοδο σε σύγκριση με τη περίοδο για τέσσερα σενάρια. Το σενάριο Α1Β,το σενάριο RCP2.6,το σενάριο RCP4.5,το σενάριο RCP6.0.To σενάριο RCP8.5.Η κόκκινη γραμμή είναι η συνεισφορά από την θερμική επέκταση του ωκεανού. Η γαλάζια γραμμή είναι η συνεισφορά από τους παγετώνες. Η πράσινη γραμμή είναι η συνεισφορά από τα φύλλα πάγου της Γροιλανδίας. Η μπλε γραμμή είναι η συνεισφορά από τα φύλλα πάγου της Ανταρκτικής. Η μωβ γραμμή είναι το αποθηκευμένο νερό στο έδαφος. (IPCC 2013, Fig13-10) Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης σελ. 13

14 1.3.Μεταβολή της στάθμης της θάλασσας στις παράκτιες περιοχές Η στάθμη της θάλασσας αποτελεί απειλή για τις παράκτιες περιοχές με χαμηλά υψόμετρο σε όλο τον κόσμο. Στα επόμενα χρόνια είναι πιθανό ότι θα κινδυνεύσουν οι περιοχές αυτές σε ενδεχόμενη αύξηση από 0.26 μέχρι 0.82 μέτρα σύμφωνα με τις προβολές από το μοντέλο CMIP5.Επειδή όμως η παγκόσμια μέση στάθμη της θάλασσας (Global mean sea level) διαφέρει από την τοπική μεταβολή της στάθμης της θάλασσας (Regional sealevel changes) (βλέπε παράγραφο 1.5) οι κατοικημένες περιοχές στην παράκτια ζώνη δεν θα κινδυνέψουν εξίσου το ίδιο. Η εικόνα 3 μας δείχνει την πιθανή τοπική αύξηση της στάθμης της θάλασσας ανάλογα με το γεωγραφικό μήκος και το γεωγραφικό πλάτος. Εικόνα 3. Η τοπική θαλάσσια σχετική στάθμη από 21 πρότυπα του μοντέλου CMIP5 για τα σενάρια RCP (α) 2.6, (b) 4.5, (c) 6.0, (d)8.5 για το σε σύγκριση με το (IPCC 2013, Fig13 20) Ένας ακόμη κίνδυνος για τις παράκτιες περιοχές είναι η ακραία στάθμη της θάλασσας (Extreme sea level). Η ακραία στάθμη της θάλασσας είναι ο συνδυασμός παραγόντων όπως η αστρονομική παλίρροια (astronomical σελ. 14, Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης

15 tides),τα κύματα θύελλας (storm surges), τα ανεμογενή κύματα (wind waves) μαζί με την χρονική μεταβλητό τητα της στάθμης της θάλασσας (interannual variability in sea levels). Ο Hunter et al (2012) έχει αναπτύξει μια τεχνική για το θαλάσσιο επιτρεπόμενο όριο (sea level allowances) δηλαδή το ελάχιστο ύψος που πρέπει να προστεθεί σε μια υπάρχουσα κατασκευή για την προστασία των πλημμύρων, έτσι ώστε η ακραία στάθμη της θάλασσας να μην προκαλέσει πλημμύρες (Εικόνα 4) Εικόνα 4 Η εκτίμηση της αύξησης του ύψους σε μέτρα που πρέπει να συμβεί στις δομές προστασίας πλημμύρων στην περίοδο που απεικονίζεται από 182 θέσεις μετρητών παλίρροιας μαζί με προβολές της τοπικής μεταβολής της στάθμης της θάλασσας από το σενάριο RCP4.5 (IPCC 2014, WGII_AR5_Fig5-2) Οι παρατηρηθείσες τάσεις στις ακραίες στάθμες της θάλασσας είναι κυρίως σύμφωνες με τη μέση στάθμη της θάλασσας (e.g., Marcos et al., 2009; Haigh et al., 2010; Menendez and Woodworth, 2010; Losada et al., 2013). Σύμφωνα με την τελευταία πρόταση η Εικόνα 4, μας δείχνει ουσιαστικά ποιες περιοχές θα κινδυνέψουν από την άνοδο της στάθμης της θάλασσας στο μέλλον. 1.4.Το σχήμα της Γης Το σχήμα της δεν είναι κυκλικό. Το γεγονός ότι η Γη περιστρέφεται γύρω από τον άξονά της, προσθέτει μια φυγόκεντρο ψευδοδύναμη στη δύναμη βαρύτητας, η οποία είναι ανάλογη του γεωγραφικού πλάτους με αποτέλεσμα το σχήμα της Γης να είναι πεπλατυσμένο στους πόλους. Συνεπώς το σχήμα της Γης προσεγγίζεται από την περιστροφή μιας έλλειψης. Το ελλειψοειδές σώμα εκ περιστροφής είναι ένα μαθηματικό μοντέλο Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης σελ. 15

16 προσέγγισης του σχήματος της Γης, όπου θεωρεί την πυκνότητα του πλανήτη μας πλήρως ομογενή, χωρίς ηπείρους και νησιά, με έναν ωκεανό ακίνητο ως προς την επιφάνεια της Γης. Η μάζα του ωκεανού ενός τέτοιου πλανήτη θα κατανεμόταν πάνω σε μια ισοδύναμη επιφάνεια σταθερής δυναμικής ενέργειας, δηλαδή μια επιφάνεια πάνω στην οποία η ελκτική δύναμη της Γης θα είχε σταθερό μέτρο. Αυτή η επιφάνεια είναι πάντα κάθετη στο διάνυσμα της βαρυτικής έλξεις(g) και ταυτίζεται με την επιφάνεια που ονομάζουμε οριζόντιο(εικόνα5). Εικόνα5. Το σχήμα της Γης σύμφωνα με το ελλειψοειδές μοντέλο εκ περιστροφής. Στην πραγματικότητα, η μάζα της Γης δεν είναι ομοιογενώς κατανεμημένη, διότι υπάρχουν ήπειροι, οροσειρές και θαλάσσια βουνά με αποτέλεσμα το ελλειψοειδές μοντέλο να μην ταυτίζεται με τον πλανήτη μας. Το Γεωειδές είναι η ισοδύναμη επιφάνεια του πραγματικού πεδίου βαρύτητας της Γης και δεν ταυτίζεται με το ελλειψοειδές εκ περιστροφής και την φυσική γήινη επιφάνεια(εικόνα 6). σελ. 16, Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης

17 Εικόνα6.Το σχήμα της γης σύμφωνα με το γεωειδές Ουσιαστικά το γεωειδές είναι η ισοδύναμη επιφάνεια σταθερής δυναμικής ενέργειας ως προς έναν ακίνητο ωκεανό με τη διαφορά πως θεωρεί την πυκνότητα της Γης ανομοιογενώς κατανεμημένη. Το αποτέλεσμα είναι όπου υπάρχει υψηλότερη συγκέντρωση μάζας, οι επιφάνειες σταθερής δυναμικής ενέργειας θα είναι υπερυψωμένες σε σχέση με το ελλειψοειδές μοντέλο, ενώ σε περιοχές ελλείμματος μάζας, οι ισοδύναμες επιφάνειες του Γεωειδούς θα βρίσκονται χαμηλότερα σε σχέση το ελλειψοειδές μοντέλο. Οι αποκλίσεις του γεωειδούς από το ελλειψοειδές μοντέλο είναι της τάξης του 40m με 40m(εικόνα 7) Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης σελ. 17

18 Εικόνα7.Η επίδραση του ανάγλυφου στον πυθμένα της θάλασσας και αυτό επιδρά στο Γεωειδές και ελλειψοειδές αναφοράς(β.ζερβάκης,σημειώσεις Δυναμικής Ωκεανογραφίας κεφάλαιο 3) Η μέση στάθμη της θάλασσας Στη Γεωδαισία η απόσταση ενός σημείου της φυσικής γήινης επιφάνειας από το ελλειψοειδές δίνεται από την σχέση h=h+n(1) όπου h:το ελλειψοειδές υψόμετρο, H:η απόσταση του σημείου από το γεωειδές, Ν: η απόσταση του γεωειδούς από το ελλειψοειδές(εικόνα 8). Εικόνα8.Η απόσταση ενός σημείου πάνω στην γη από το ελλειψοειδές αναφοράς. σελ. 18, Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης

19 Στην επιφάνεια της θάλασσας η απόσταση ενός σημείου από το ελλειψοειδές διαφέρει. Στην εικόνα 9 βλέπουμε πως ορίζεται η ελεύθερη στάθμη θάλασσας(sea level anomaly=sla), το ύψος της επιφάνειας της θάλασσας από το ελλειψοειδές(sea surface height=ssh),η μέση δυναμική τοπογραφία(mean dynamic topography=mdt),η μέση επιφάνεια της θάλασσας(mean sea surface=mss). Εικόνα9.Η απόλυτη δυναμική τοπογραφία(absolute dynamic topography) ορίζεται ως ADT=MDT+SLA.(Aviso,Sea surface above Height above Geoid) Σύμφωνα με τα παραπάνω η σχέση (1) γίνεται: h=ssh=n+mdt+sla(2).η μέση στάθμη της θάλασσας(mean sealevel=msl) ορίζεται ως: MSL=MSS=MDT+N(3). Στην πράξη,η απόλυτη δυναμική τοπογραφία (ΑDT) είναι η απόκλιση της μέσης στάθμης της θάλασσας από το γεωειδές που οφείλεται στα θαλάσσια ρεύματα και κυμαίνεται από 1 μέχρι +1 μέτρα. 1.5.Διεργασίες Η μεταβολή της στάθμης της θάλασσας εξαρτάται από πολλές παραμέτρους που εξελίσσονται στο χώρο και στον χρόνο (εικόνα 10) όπως ο υδρολογικός κύκλος (hydrological cycle), οι παγετώνες (glaciers),τα φύλλα πάγου (ice sheets),η αλληλεπίδραση θάλασσας ατμόσφαιρας, η πυκνότητα(ρ),η θερμοκρασία(τ),η αλατότητα(s). Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης σελ. 19

20 Εικόνα10.Διεργασίες που μπορούν να μεταβάλλουν την παγκόσμια και την τοπική θαλάσσια στάθμη. Ο όρος ωκεάνια ιδιότητα(ocean properties),αναφέρεται στην πυκνότητα, τη θερμοκρασία και την αλατότητα.(ippc 2013, Fig13 01) Παγκόσμια μέση στάθμη της θάλασσας Η παγκόσμια μέση στάθμη της θάλασσας(global mean sea level) εξαρτάται κυρίως από την απώλεια μάζας ηπειρωτικού πάγου, την απώλεια μάζας θαλάσσιου πάγου, τη θερμοκρασία και τον υδρολογικό κύκλο. Ο ηπειρωτικός πάγος αυξάνει την θαλάσσια στάθμη με την προσθήκη γλυκού νερού στην μάζα του ωκεανού. Η απώλεια μάζας θαλάσσιου πάγου δεν αυξάνει την στάθμη της θάλασσας αλλά συμβάλει στην αύξηση της θερμοκρασίας του ωκεανού. Συγκεκριμένα δημιουργείται μηχανισμός θετικής ανάδρασης, καθώς μειώνεται ο θαλάσσιος πάγος(albedo) λιγότερη ακτινοβολία ανακλάται στο διάστημα με αποτέλεσμα ο ωκεανός να δέχεται περισσότερη θερμότητα. Η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε θερμική διαστολή(thermal Expansion) αυξάνοντας την στάθμη της θάλασσας..ο υδρολογικός κύκλος καθορίζει την στάθμη της θάλασσας από την προσθήκη του γλυκού νερού, μέσα από τα ποτάμια και βροχοπτώσεις. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται απορροή(α). Η αφαίρεση γλυκού νερού από την θάλασσα όπου μεταβάλει την στάθμη της λέγεται εξάτμιση(ε). Όλα τα παραπάνω τα συνοψίζουμε σε μια συμβολική γραφή όπου στηρίζεται στο συμβολισμό τον συναρτήσεων. Για παράδειγμα η συνάρτηση w=f(x,y,z,t) έχει τέσσερις ανεξάρτητες μεταβλητές όπου είναι x,y, z, t και μια εξαρτημένη μεταβλητή την w. Συμβολίζουμε την παγκόσμια μέση στάθμη της θάλασσας με GMSL. σελ. 20, Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης

21 GMSLt GMSLmicet,Tt,mseat,hct,t (4) Όπου: m ice Απώλεια μάζας ηπειρωτικού πάγου T Η θερμοκρασία m sea Απώλεια μάζας θαλάσσιου πάγου hc Ο υδρολογικός κύκλος t Ο χρόνος Η (4) δεν αποτελεί μέθοδο υπολογισμού της μέσης στάθμης της θάλασσας. Είναι μια σχέση που μας βοηθάει σε πρώτη φάση να επικεντρωθούμε στις σημαντικότερες παραμέτρους που καθορίζουν την στάθμη της θάλασσας, μέσα από την πολυπλοκότητα που παρουσιάζει αυτό το φαινόμενο. Ο χρόνος στην σχέση (4) δηλώνει θεωρητικά την τιμή που θα έπαιρνε η παγκόσμια μέση στάθμη της θάλασσας για χρόνο t, περίπου όπως η εικόνα 11. Εικόνα 11. Εκτίμηση της παγκόσμιας ανόδου της μέσης στάθμης της θάλασσας για το σενάριο RCP2.6(μπλε γραμμή) και το σενάριο RCP8.5(κόκκινη γραμμή) μαζί με στοιχεία μετρητών παλίρροιας και δεδομένα δορυφορικής υψομετρίας (IPCC 2013, Fig13 27) Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης σελ. 21

22 1.5.2 Τοπική μεταβολή της στάθμης της θάλασσας Η τοπική μεταβολή της στάθμης της θάλασσας είναι μια δύσκολη και σύνθετη έννοια όπου χρειάζεται περισσότερη ανάλυση για να γίνει κατανοητή. Σε αυτή την προσπάθεια το άρθρο των Jorda & Gomis (2013) θα μας βοηθήσει αρκετά να κατανοήσουμε πως μεταβάλλεται τοπικά η στάθμη της θάλασσας. Η μεταβολή της μάζας της υδάτινης στήλης μιας ημίκληστης λεκάνης με την πάροδο του χρόνου ισούται με την επιφάνεια της στήλης του νερού πολλαπλασιασμένη με το ολοκλήρωμα της πυκνότητας από βάθος (Η) μέχρι την ελεύθερη επιφάνεια της η(t) σύμφωνα με την σχέση:, Παραγωγίζουμε ως προς τον χρόνο, Λύνουμε ως προς την μερική παράγωγο της ελεύθερης επιφάνειας ως προς τον χρόνο (5) σελ. 22, Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης

23 Σχήμα1.Η μεταβολή της ελεύθερης επιφάνειας ως προς τον χρόνο Όπου: Είναι η στερική συνιστώσα Είναι η συνιστώσα της μάζας Η πυκνότητα αναφοράς όπου είναι 1000kg m 3 Το βάθος της θάλασσας στο κάθε σημείο όπου εξετάζεται η μέση στάθμη Η μεταβολή της μάζας στην στήλη του νερού Η επιφάνεια της στήλης του νερού Η μάζα της υδάτινης στήλης σχετίζεται με την πίεση που ασκεί στο βυθό (p b ) και με την ατμοσφαιρική πίεση (patm ) έτσι ώστε pbpatmg Συνεπώς έχουμε ότι Που εάν αντικατασταθεί στην (5) παίρνουμε ότι Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης σελ. 23

24 (6) όπου η συνιστώσα της μάζας έχει χωριστεί στις δύο μετατοπίσεις μάζας που οφείλονται: α) στις αλλαγές της ατμοσφαιρικής πίεσης (τρίτος όρος της παραπάνω εξίσωσης), η γνωστή ατμοσφαιρική συνιστώσα που προκαλεί μεταβολές στάθμης, και β) στις αλλαγές μάζας που οφείλονται σε άλλες διεργασίες όπως η προσθήκη/αφαίρεση μάζας, οι αλλαγές στην κυκλοφορία, κλπ. Όταν εξετάζουμε μια ολόκληρη λεκάνη οι εξισώσεις (5) και (6) εξακολουθούν να ισχύουν εάν χρησιμοποιήσουμε χωρικά μέσες τιμές για τις μεταβλητές,,,, (για την ακρίβεια οριζόντια μέσες τιμές) και όπου δm και δα είναι η συνολική μάζα και η επιφάνεια της λεκάνης, αντίστοιχα. Είναι σημαντικό να σημειώσουμε ότι στην εξίσωση (5) η στερική συνιστώσα δεν συμπεριλαμβάνει διακυμάνσεις όγκου, αλλά διακυμάνσεις πυκνότητας (δηλ. αλλαγές όγκου στη μονάδα μάζας). Οι αλλαγές πυκνότητας μπορεί να χωριστούν σε δύο συνιστώσες, η μία για τις αλλαγές στην θερμοκρασία και η άλλη στην αλατότητα. Οι εξισώσεις (5) και (6) δίνουν έναν συνολικό ορισμό για τη στερική και τη συνιστώσα μάζας που προκαλούν μεταβολές στη μέση στάθμη της θάλασσας. Μπορούμε να εξετάσουμε τις φυσικές διεργασίες που καθορίζουν τις δύο παραπάνω συνιστώσες αν θεωρήσουμε και την εξίσωση διατήρησης μάζας 0 (7) Αναλύουμε σε οριζόντια και κατακόρυφη διεύθυνση και ολοκληρώμουμε στην υδάτινη στήλη, έτσι ώστε η εξίσωση (5) γίνεται: (6) σελ. 24, Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης

25 όπου: Η Θερμοστερική συνιστώσα (Thermosteric component) Η αλοστερική συνιστώσα (Halosteric component) Είναι ο συντελεστής θερμικής διαστολής του νερού σε 1 με α 0. είναι ο συντελεστής αλατικής συστολής που δείχνει την εξάρτηση της πυκνότητας από την αλατότητα σε psu 1 με β 0. Οι υπόλοιποι όροι της σχέσεις (6) δηλώνουν το μαζικό τμήμα και θα αναλυθούν παρακάτω. Οι συντελεστές α και β υπολογίζονται από το διάγραμμα S T (εικόνα 12) Εικόνα 12. Διάγραμμα S T που δείχνει τις διάφορες τιμές που παίρνει η πυκνότητα για διάφορες τιμές αλατότητας και θερμοκρασίας.(the ocean and its circulation,chapter 9) Το πρόσημο της θερμοστερικής συνιστώσας εξαρτάται από την μερική παράγωγο της θερμοκρασίας ως προς τον χρόνο. Αν 0 ( 0 και μαζικό τμήμα μηδέν) τότε η συνάρτηση Τ(t) είναι γνησίως αύξουσα που σημαίνει ότι η θερμοκρασία αυξάνεται με αποτέλεσμα να έχουμε θετική θερμοστερική συνιστώσα που σημαίνει Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης σελ. 25

26 ότι θα έχουμε άνοδο της στάθμης της θάλασσας( 0.Αν < 0 με 0 (και οι μαζικοί όροι να είναι μηδέν) τότε 0 και θερμοστερική συνιστώσα 0 Το πρόσημο της αλοστερικής συνιστώσας εξαρτάται από την μερικοί παράγωγοι της αλατότητας ως προς το χρόνο. Αν 0 με 0 (και οι μαζικοί όροι να είναι μηδέν) τότε αλοστερική συνιστώσα < 0 και 0. Αν 0 με 0 (και οι μαζικοί όροι να είναι μηδέν) τότε 0. Στην σχέση (6) αν εφαρμόσουμε την υλική παράγωγο: όπου γ=t και γ=s η σχέση (6) γίνεται: γ v dz (7) Ο πρώτος όρος στο δεξί μέλος της εξίσωσης είναι η Στερική συνιστώσα που εξαρτάται από την Θερμοστερική συνιστώσα και την Αλοστερική συνιστώσα. O δεύτερος και ο τρίτος όρος της εξίσωσης έχουν να κάνουν με την μεταφορά μάζας και θα αναφερθούν παρακάτω. Ο τελευταίος όρος της εξίσωσης έχει να κάνει με την εξάτμιση(ε) και τις κατακρημνίσεις(ρ). Αν Ε > P τότε o τελευταίος όρος τις εξίσωσης θα επιφέρει αρνητική συνεισφορά στο, αν P > E τότε θα επιφέρει θετική συνεισφορά στο. Στη συνέχεια θα δοθεί ένα θεωρητικό παράδειγμα όπου θα εφαρμοστούν οι σχέσεις (6) και (7) στην πιο απλή μορφή τους. Στόχος του παραδείγματος είναι να αναδειχθούν όσο πιο απλά γίνεται οι μηχανισμοί που καθορίζουν την μεταβολή της στάθμης της θάλασσας. Επίσης αυτό το παράδειγμα έρχεται να συμπληρώσει την εικόνα 14 και συγκεκριμένα το σχήμα (b) από το άρθρο (Jorda & Gomis, 2013). Οι τιμές των παραμέτρων ρ,s,t πάρθηκαν από το διάγραμμα S T (Εικόνα 12) για μεγαλύτερη ακρίβεια στα αποτελέσματα. σελ. 26, Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης

27 Έστω η μεταβολή της πυκνότητας μιας μάζας νερού σε συνάρτηση με τον χρόνο που βρίσκεται σε ένα κυλινδρικό δοχείο με εμβαδόν κυκλικής βάσης 1m 2. Την t=0 η μάζα νερού καταλαμβάνει ύψος 300m μετρούμενο από την βάση. Για την t=0 η πυκνότητα που έχει η θαλάσσια μάζα νερού είναι ρ(0)=1026kgm 3,αλατότητα S=35 και θερμοκρασία T=15C. Επίσης την t=0 σκεπάζουμε το κυλινδρικό δοχείο έτσι ώστε να εξασφαλίσουμε σταθερή μάζα στο πέρασμα του χρόνου.(εικόνα 13) Εικόνα 13.Η μεταβολή της πυκνότητας σε συνάρτηση με τον χρόνο μιας μάζας νερού που βρίσκεται σε ένα κυλινδρικό δοχείο. Το η(t) είναι η μεταβολή της στάθμης της θάλασσας σε σύγκριση με την χρονική στιγμή t=0. Την χρονικής στιγμή t5year η πυκνότητα του νερού γίνεται ρ51025kgm 3 λόγω αλλαγής της στην θερμοκρασία από Τ015 σε T519 (η αλατότητα θεωρούμε ότι παραμένει σταθερή). Την χρονική στιγμή t=10year η πυκνότητα του νερού γίνεται ρ101027kgm 3 λόγω μείωσης της θερμοκρασίας από Τ519 σε Τ1010. Θα εφαρμόσουμε πρώτα την σχέση (7) για να υπολογίσουμε το. Στη συνέχεια θα εφαρμόσουμε την σχέση (6) όπου θα υπολογίσουμε <α> και στην συνέχεια το. Για λόγους ευκολίας οι μονάδες μέτρησης θα μπαίνουν στο τέλος μαζί με τελικά αποτελέσματα και όχι ενδιάμεσα. Από την σχέση (7) έχουμε 000 οι υπόλοιποι όροι της εξίσωσης που δηλώνουν αλλαγή στην μάζα είναι μηδέν διότι η μάζα δεν μεταβάλετε. Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης σελ. 27

28 Για να υπολογίσουμε τη Στεριτική συνιστώσα υπολογίζουμε το θεώρημα μέσης τιμής του διαφορικού λογισμού έχουμε από την t=0 μέχρι την t=5year.από το Στη συνέχεια θα εφαρμόσουμε την σχέση (6) ,2 0, Οι υπόλοιποι όροι μηδενίζονται διότι δεν υπάρχει μεταφορά μάζας, οπότε η μεταβολή της στάθμης του νερού κυλίνδρου εξαρτάται από τη θερμοστερική συνιστώσα. Υπολογίζουμε τον συντελεστή θερμικής επέκτασης του νερού ,25 10 Το και η βγαίνουν έξω από το ολοκλήρωμα γιατί θεωρούμε ομοιογένεια με το βάθος, οπότε έχουμε 0,8 Δηλαδή η θερμοστερική συνιστώσα είναι θετική. Στη συνέχεια πηγαίνουμε στον κύλινδρο για να ελέγξουμε εάν τα παραπάνω αποτελέσματα είναι σωστά. Για τον κύλινδρο την χρονική στιγμή t ισχύει και όπου σελ. 28, Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης

29 , με 1 Η μάζα του νερού είναι η μάζα της t kg Στη συνέχεια υπολογίζουμε το ύψος από την βάση του κυλίνδρου για την t=5year 5 300, ,3 6 5 Στη συνέχεια θα υπολογίσουμε τη Στερική συνιστώσα από την χρονική στιγμή t=5 year μέχρι την t=10year , , , ,8 δηλαδή αρνητική θερμοστερική συνιστώσα. Στη συνέχεια πηγαίνουμε ξανά στον κύλινδρο για να δούμε αν είναι σωστά τα παραπάνω αποτελέσματα ,71 10 Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης σελ. 29

30 , Στη συνέχεια θα υπολογίσουμε τo συνολική συνιστώσα του κυλίνδρου από t0 μέχρι t10year που περιμένουμε να βγει αρνητικό λόγο της τελικής πυκνότητας που είναι ρ10 ρ ,1 0, ,5 Η συνολική θερμοστερική συνιστώσα έχει αρνητική τάση. Πηγαίνουμε στον κύλινδρο για εξετάσουμε αν τα παραπάνω αποτελέσματα ευσταθούν Το 0 μας δείχνει την στάθμη που θα έχει ο κύλινδρος την κάθε χρονική t σε σύγκριση με την στάθμη που είχε ο κύλινδρος την t0. σελ. 30, Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης

31 , Τελική στάθμη ,71 10 Για την αλοστερική συνιστώσα δεν θα πραγματοποιηθεί αντίστοιχο παράδειγμα διότι θα υπάρξουν μεταβολές στην μάζα του κυλίνδρου κάνοντας το πιο σύνθετο, γι αυτό θα παρουσιάσουμε την προσέγγιση των Jorda & Gomis(2013) για την αλοστερική συνιστώσα καθώς και για τους όρους των εξισώσεων (6) και (7) που αφορούν τη συνιστώσα μάζας. Επιφανειακές ροές μάζας Θεωρούμε ότι το αλατικό περιεχόμενο ενός στρώματος πάχους Ε που εξατμίζεται, κατανέμεται ομοιόμορφα σε ένα ανώτερο στρώμα πάχους U (Εικόνα 14, σχήμα (c)) Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης σελ. 31

32 Εικόνα 14. Σκίτσα μιας κλειστής περιοχής μελέτης αρχική θερμοκρασία Τ 0 και αρχικής αλατότητας S 0.Η κόκκινη γραμμή δείχνει την θαλάσσια αλλαγή επιπέδων λόγο του Steric component Δη steric, η μπλε γραμμή δείχνει την πραγματική θαλάσσια αλλαγή επιπέδων. (α) Σε αρχική κατάσταση, (b)θετική ροή θερμότητας που προκαλεί την θερμική διαστολή, (c) Εξάτμιση νερού και αλατισμένη ανακατανομή, (d) Οριζόντια μεταφορά άλατος. (Jorda & Gomis, 2013). Η αύξηση στην αλατότητα του στρώματος U λόγω εξάτμισης στο στρώμα Ε είναι: συνεπώς Δηλαδή, η αλατότητα που θα προκύψει θα δίνεται από σελ. 32, Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης

33 1 Ακολουθώντας την εξίσωση (6) η αλλαγή στην Αλοστερική συνιστώσα ηhs θα είναι: (8) Όπου Η τελευταία ισότητα σημαίνει ότι το εξατμισμένο στρώμα νερού είναι ίσο με την αρνητική αλλαγή της συνιστώσας μάζας. Αν θεωρήσουμε ενδεικτικές τιμές για τη θερμοκρασία και την αλατότητα, πχ Τ=15 και =35, η σχέση (8) δίνει ότι 0,03 (9) Με 0,03 Για παράδειγμα 30mm εξάτμιση θα οδηγήσει σε αλλαγή του Στερικού συστατικού κατά 1mm. 0, Οριζόντια μεταφορά αλατιού Στη συνέχεια εξετάζουμε μια περιοχή, όπου ένα ομοιογενές ανώτερο στρώμα αντικαθίσταται από ένα άλλο στρώμα νερού με τον ίδιο όγκο γλυκού νερού λόγο της οριζόντιας μετατόπισης της πυκνότητας (Εικόνα 14, σχήμα(d)). Σε αυτή την περίπτωση οι όροι που θα εξεταστούν από την εξίσωση (7) είναι η Στερική συνιστώσα ( και οι μαζικές αλλαγές μετατόπισης της πυκνότητας (. Για παράδειγμα μια αύξηση κατά 0,01 στην αλατότητα των πρώτων 300m της υδάτινης στήλης θα οδηγήσει σε μια πτώση της μέσης στάθμης της θάλασσας εξαιτίας της στερικής συνιστώσας: Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης σελ. 33

34 300 0,01 2,4 Από την άλλη πλευρά, η ποσότητα αλατιού της υδάτινης στήλης θα αυξηθεί κατά περίπου 3kg/m 2. Αυτό προκύπτει από τον εξής συλλογισμό: Για θερμοκρασία αναφοράς Τ=15 και S35. Με την αύξηση στην αλατότητα το ποσό άλατος της υδάτινης στήλης θα αυξηθεί κατά 3 ο οποίος οδηγεί σε μια αλλαγή στη συνιστώσα μάζας κατά 3 το οποίο υπολογίστηκε από τον δεύτερο όρο της εξίσωσης (5) {. Αυτός ο όρος μας επιτρέψει να υπολογίσουμε πώς η αλλαγή στη μάζα (kg/m2) μπορεί να εκφραστεί σαν μια αλλαγή στο ύψος της στάθμης της θάλασσας σε μέτρα (m). Δηλαδή, Το καθαρό αποτέλεσμα εξαιτίας της αλλαγής της αλατότητας θα είναι το άθροισμα της αλοστερικής επίδρασης και της επίδρασης μάζας. Άρα 2,4 3 0,6 δηλαδή έχουμε μια συνολική αύξηση της στάθμης της θάλασσας και όχι μείωση της στάθμης που θα υπολογίζαμε αν θεωρούσαμε μόνο τις φυσικές διεργασίες που συνδέονται με την αλοστερική συνιστώσα και η οποία προκύπτει αρνητική. Ουσιαστικά το παραπάνω αποτέλεσμα υποδηλώνει ότι η στερική συνιστώσα δίνει αλλαγές όγκου ανά μονάδα μάζας (δηλ. αλλαγές πυκνότητας), έτσι ώστε να πρέπει να συνυπολογίσουμε και τις αλλαγές μάζας της υδάτινης στήλης, ανεξάρτητα από το εάν οφείλονται σε αλλαγές αλατιού ή μάζας νερού, αν θέλουμε να υπολογίσουμε την πραγματική αλλαγή του όγκου (που αντιστοιχεί στην πράξη με τη μέση στάθμη της θάλασσας). σελ. 34, Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης

35 Εν κατακλείδι η μεταβολή της στάθμης θάλασσας ως προς τον χρόνο( ) εξαρτάται σε τοπική κλίμακα από τη στερική συνιστώσα ( v dz,την οριζόντια μετατόπιση της πυκνότητας( μέσω της επιφάνειας,την σύγκλιση/απόκλιση της μέσης οριζόντιας ταχύτητας(, τη ροή μάζας γλυκού νερού. Οι παραπάνω όροι ανήκουν στην εξίσωση (7) που την ξαναδίνουμε. v dz (7) Η φυσική σημασία του όρου ( είναι ότι η αντικατάσταση ενός δεδομένου όγκου νερού από νερό μικρότερης/μεγαλύτερης πυκνότητας θα οδηγήσει σε μια μειώση/αύξηση της μάζας. Θα επιχειρήσουμε να αποδείξουμε την παραπάνω φράση και στην συνέχεια θα γίνει η σύνδεση με το σχήμα (d) στην Εικόνα 14 όπου περιλαμβάνεται ο τρίτος όρος της εξίσωσης (7). Έστω ότι πραγματοποιούμε ένα πείραμα με δύο κυλινδρικά δοχεία Α και Β ίδιων διαστάσεων με Ε το πάχος του σωλήνα και U το πάχος από την βάση μέχρι το Ε. Τα Ε και U συμβολίζουν τα ίδια πράγματα όπως την Εικόνα 14. Την tt0 τα δύο δοχεία έχουν ακριβώς την ίδια πυκνότητα και τον ίδιο όγκο νερού, άρα και το ίδιο ύψος μετρούμενο από την βάση(εικόνα 15) Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης σελ. 35

36 Εικόνα 15.Τα Δοχεία Α και Β για t=t 0 Την tt1 απομονώνουμε τα δοχεία από τους σωλήνες και τα εκθέτουμε σε ίδια εξάτμιση μέχρι η στάθμη τους να μειωθεί κατά Ε. Στα δύο δοχεία θα αυξηθεί η πυκνότητα λόγω αλατότητας. Επίσης θα αυξηθεί ελάχιστα η θερμοκρασία χωρίς να μας ενοχλεί γιατί και δύο μάζες νερού θα έχουν την ίδια τελική πυκνότητα που καθορίστηκε από την Στερική συνιστώσα και τους δύο τελευταίους όρους της εξίσωσης (7).(Εικόνα 16) Εικόνα.16 Τα Δοχεία Α και Β για t=t 1 σελ. 36, Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης

37 Την tt2 ενεργοποιούμε την παροχή του σωλήνα και μαζί με αυτό ενεργοποιούμε τον δεύτερο όρο της εξίσωσης (7). Αντικαθιστούμε τον όγκο νερού που εξατμίστηκε με νερό μικρότερης πυκνότητας και θεωρούμε πως δεν υπάρχει ανάμειξη ανάμεσα στο στρώμα Ε και U. Στο δοχείο Α αντικαθιστούμε νερό πυκνότητας ρ Β μικρότερης από το δοχείο Β που είναι ρβ. Κλείνουμε την παροχή νερού όταν η στάθμη και των δύο δοχείων ανέλθει σε ύψος Ε και απομονώνουμε τα δοχεία από τους σωλήνες τους. Στο τέλος της χρονικής στιγμής tt2 θα ισχύει ρα ρβ ρβ (Εικόνα 17). Εικόνα.17 Τα Δοχεία Α και Β για t=t 2. θα δείξουμε ότι στο δοχείο Β η μάζα νερού m B που αντικαθιστά τον όγκο νερού που εξατμίστηκε είναι μεγαλύτερη από την μάζα m B, δηλαδή m Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης σελ. 37

38 Για την t=t 2 έχουμε: ρ (9) Για την t=t 2 η πυκνότητα που αντικαταστάθηκε στα δοχείο Β είναι μεγαλύτερη από την πυκνότητα που αντικαταστάθηκε στο δοχείο Α, δηλαδή ρ λόγω της (9) 1 για τον ίδιο όγκο νερού σελ. 38, Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης

39 Συμβολίζουμε με RSLC την τοπική άνοδο στάθμης της θάλασσας. RSLC(φ,λ,t)=RSLC[mice(t), patm(φ,λ,t),hc(φ,λ,t),sc(φ,λ,t),t] (10) Όπου: φ Γεωγραφικό πλάτος λ Γεωγραφικό μήκος t Ο χρόνος mice Η απώλεια μάζας ηπειρωτικού πάγου patm H ατμοσφαιρική πίεση hc O υδρολογικός κύκλος SC Ο Steric componrnt Ένα παράδειγμα τοπικής μεταβολής της θαλάσσιας στάθμης είναι στον Ειρηνικό ωκεανό κατά μήκος του Ισημερινού, όπου αληγείς άνεμοι πνέουν προς δύση. Ανατολικά επικρατούν υψηλές ατμοσφαιρικές πιέσεις μαζί με ψυχρές θαλάσσιες μάζες όπου μειώνουν την θαλάσσια στάθμη. Στην δυτική πλευρά παρατηρούνται χαμηλές ατμοσφαιρικές πιέσεις μαζί με θερμές μάζες νερού όπου αυξάνουν την θαλάσσια στάθμη(εικόνα 18). Σε συνθήκες La Nina αναμένεται ακόμη υψηλότερη στάθμη στα δυτικά και ακόμη χαμηλότερη στάθμη στα ανατολικά. Σε συνθήκες El Nino η χαμηλή στάθμη θα είναι δυτικά, ενώ η υψηλή στάθμη θα είναι ανατολικά. Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης σελ. 39

40 Παναγιώτης Σιαφάκας, 2017 Εικόνα 18. Χάρτης τιμών για το ύψος της επιφάνειας της θάλασσας για από satellite altimetry. Οι επιλεγμένη σταθμοί μετρητών παλίρροιας είναι από την περίοδο Η μέση παγκόσμια μεταβολή παρουσιάζεται με κόκκινη γραμμή.(ipcc 2013, FigFAQ13.1 1) 1.6 Κλιματικά μοντέλα Τα μοντέλα CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project phase 5) είναι η κατηγορία μοντέλων που ασχολούνται με την κλιματική αλλαγή και περιλαμβάνουν τα μοντέλα AOGCM(Atmosphere Ocean General Circulation Model) και τα μοντέλα ESM(Earth System Model). Σκοπός των μοντέλων AOGCM είναι η κατανόηση της δυναμικής των φυσικών συστατικών του κλιματικού συστήματος(the dynamics of the physical components of the climate system) που περιλαμβάνουν την ατμόσφαιρα, τον ωκεανό, το έδαφος και τον θαλάσσιο πάγο(εικόνα 19). Οι προβολές των μοντέλων αυτών βασίζονται στο μελλοντικό αέριο του θερμοκηπίου(ghg) και στα αερολύματα(aerosol forcing). σελ. 40, Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης

41 Εικόνα 19. Κύρια χαρακτηριστικά γνωρίσματα των μοντέλων AOGCM και των μοντέλων ESM(IPCC 2013,table 9.1) Τα μοντέλα που υπολογίζουν την παγκόσμια μέση στάθμη της θάλασσας περιλαμβάνουν τις συνεισφορές από την θερμική επέκταση των ωκεανών(thermal expansion contribution), τις συνεισφορές από τους παγετώνες, τις συνεισφορές από τα φύλλα πάγου της Ανταρκτικής, τις συνεισφορές από τα φύλλα πάγου της Γροιλανδίας, τις συνεισφορές από το αποθηκευμένο νερό στην Γη(Εικόνα 20). Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης σελ. 41

42 Εικόνα 20. (α) Προβολές της παγκόσμιας μέσης στάθμης της θάλασσας(gmsl) σε σύγκριση με την περίοδο ,για τα σενάρια RCP2.6,RCP4.5,RCP6.0,RCP8.5 (β) Προβολές της παγκόσμιας μέσης στάθμης της θάλασσας σε mmyr 1.H γκρίζα περιοχή είναι το εύρος διακύμανσης που μπορεί να πάρει η τιμή. σελ. 42, Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης

43 Παναγιώτης Σιαφάκας, 2017 Τα μοντέλα που υπολογίζουν την τοπική άνοδο της στάθμης της θάλασσας, περι λαμβάνουν την μέση δυναμική τοπογραφία(mdt), το στεριτικό συστατικό(steric compoment), την ατμοσφαιρική πίεση, τους παγετώνες. Η εικόνα 21 μας δείχνει την προβολή της τοπικής στάθμης της θάλασσας για τα διάφορα μοντέλα του CMIP5 από το σενάριο RCP4.5. Οι προβολές αυτές περιλαμβάνουν το στεριτικό συστατικό, δυναμική τοπογραφία (MDT) και τις συνιστώσες από τους παγετώνες.(εικόνα 20). Εικόνα 21. Προβολές τις σχετικής θαλάσσιας στάθμης σε μέτρα(m) για το περίοδο σε σύγκριση με την περίοδο για το σενάριο RCP4.5(IPCC 2013, Figure 13.24) Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης σελ. 43

44 1.7 Η μεταβολή της στάθμης της θάλασσας στην Μεσόγειο θάλασσα Σε αυτή την παράγραφο παρουσιάζονται διάφορα αποτελέσματα από κλιματικά μοντέλα που δείχνουν την μεταβολή της στάθμης της θάλασσας(mmyear 1 ) της Μεσογείου ως προς τον χρόνο. Οι εικόνες(22,23,24,25) μας δείχνουν την μεταβολή της στάθμης της θάλασσας σε σύγκριση με τη Στερική συνιστώσα και τη συνιστώσα της μάζας ως προς τον χρόνο για την περίοδο Η εικόνα 26 μας δίνει της τάσεις των παραμέτρων. Εικόνα 22. Η χρονική εξέλιξη της μέσης θαλάσσιας στάθμης σε mmyear 1 που προκύπτει από τους μετρητές παλίρροιας και τα δεδομένα δορυφορικής υψομετρίας μετά την αφαίρεση της ατμοσφαιρικής συνιστώσας (Jorda & Gomis (2013)) Η εύρεση της μαζικής συνιστώσας δίνεται από την σχέση: 1 1 σελ. 44, Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης

45 Εικόνα 23. Η μεταβολή της Στερικής συνιστώσας όπου διαχωρίστηκε σε θερμοστερικη και Αλοστερική συνιστώσα.( Jorda & Gomis (2013)) Η εύρεση της Στερικής συνιστώσας δίνεται από την σχέση: 1 Εικόνα 24. Γραμμικές τάσεις της μέσης θαλάσσιας αλλαγής επιπέδων της Μεσογείου θάλασσας σε mmyear 1 για την περίοδο Το ατμοσφαιρικό συστατικό αφαιρείται.( Jorda et al.,2013) Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης σελ. 45

46 Εικόνα 25. Η μαζική συνιστώσα όπου διαχωρίστηκε σε Αλατική μαζική συνιστώσα και μαζική συνιστώσα του Γλυκού νερού.( Jorda & Gomis (2013)) Η εύρεση της Συνιστώσας του γλυκού νερού δίνεται από την σχέση:,,, και, 1 σελ. 46, Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης

47 Εικόνα 26. Η θερμοστερική συνιστώσα σε σύγκριση τη μαζική συνιστώσα του γλυκού νερού και τη καθαρή επίδραση Αλοστερικής συνιστώσας =( Αλοστερική συνιστώσα + Αλατική μαζική συνιστώσα ).( Jorda & Gomis (2013)) Η εύρεση της καθαρής επίδρασης της Αλοστερικής συνιστώσας δίνεται από την σχέση:, Εικόνα 27. Γραμμικές τάσεις της μέσης θαλάσσιας αλλαγής επιπέδων της Μεσογείου θάλασσας σε mmyear 1 για την περίοδο Το ατμοσφαιρικό συστατικό αφαιρείται.( Jorda & Gomis (2013)) Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης σελ. 47

48 Οι εικόνες(28,29,30,) μας δείχνουν την μεταβολή της μέσης στάθμης επιπέδων για την Μεσόγειο(Mean sea level) σε μέτρα σε συνάρτηση με τον χρόνο για τα διάφορα κλιματικά σενάρια(tsimplis et al.,2008) Εικόνα 28. Η μεταβολή της μέσης στάθμης της θάλασσας με βάση το Steric component για το σενάριο committed climate change. (Tsimplis et al.,2008) Εικόνα 29. Η μεταβολή της μέσης στάθμης της θάλασσας με βάση το Steric component για το σενάριο SRES A1B. (Tsimplis et al.,2008) σελ. 48, Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης

49 Εικόνα 30. Η μεταβολή της μέσης στάθμης της θάλασσας με βάση το Steric component για το σενάριο SRES A2(Tsimplis et al.,2008) Στις εικόνες(28,29,30) παρατηρούμαι ότι αρκετά μοντέλα δείχνουν μείωση της μέσης στάθμης της θάλασσας μέχρι το Αυτό συμβαίνει επειδή τα μοντέλα αυτά υπολόγισαν μόνο την Στερική συνιστώσα από την εξίσωση 1 1 Δηλαδή θεώρησαν ότι το μαζικό τμήμα είναι μηδέν, που σημαίνει ότι ο Αλοστερική συνιστώσα μειώνει την στάθμη της θάλασσας. Όμως, όπως είδαμε στην παράγραφο ένας αρνητικός Αλοστερικός όρος ενεργοποιεί τους μαζικούς όρους της εξίσωσης με αποτέλεσμα να έχουμε προσθήκη μάζας αυξάνοντας την στάθμη της θάλασσας και όχι μείωση λόγο της Αλοστερικής συνιστώσας. Οι εικόνες(31,32,33) μας δείχνουν προβολές από ένα μοντέλο της Μεσογείου των Jorda & Gomis (2013) όπου συμπεριλαμβάνεται η προσθήκη της μάζας. Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης σελ. 49

50 Εικόνα 31. Η μεταβολή του Steric component σε μέτρα μαζί με τους thermosteric και halosteric για την περίοδο ( Jorda & Gomis (2013)) Εικόνα 32.Η μεταβολή της στάθμης της θάλασσας σε μέτρα με την προσθήκη της μάζας.( Jorda & Gomis (2013)) σελ. 50, Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης

51 Εικόνα 33. Γραμμικές τάσεις για την αλλαγή σε 100 χρόνια από την προβολή ενός Μεσογειακού τοπικού μοντέλου της εικόνας 31.( Jorda & Gomis (2013)). Συνδυάζουμε τα αποτελέσματα της Εικόνας 32 όπου δείχνει τις τάσης του μοντέλου τις εικόνας 31 για να εξάγουμε την τελική εξίσωση όπου θα είναι και το συμπέρασμα της εργασίας. Θα εφαρμόσουμε την σχέση της εικόνας 14 του σχήματος (d), (11) με και,,, βάζουμε τιμές στην σχέση (11) από την εικόνα 33 για t=100years,, Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης σελ. 51

52 36,09 42,87 56,57 49,7 Δηλαδή η στάθμη εξαρτάται από τη θερμική συνιστώσα συν τη προσθήκη μάζας., Η συνολική στάθμη της θάλασσας θα προκύπτει με την προσθήκη του ηπειρωτικού πάγου(βλέπε εικόνα 2) (12) Η μεταβολή της στάθμης της θάλασσας στο Αιγαίο και Ιόνιο Πέλαγος Η μεταβολή της στάθμης της θάλασσας για της Ελληνικές θάλασσες θα έχει θετικές τάσεις με τιμές από 2,4 μέχρι 4.6mmyear 1 (Mamoutos et al. 2015) ακολουθώντας τις εκτιμήσεις για όλη τη Μεσόγειο στην ίδια περίοδο(+3mmyr 1,Tsimpis et al. 2013),Εικόνες(33,34,35,36) σελ. 52, Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης

53 Εικόνα 34. Η μεταβολή της μέσης στάθμης της θάλασσας με την προσθήκη της μάζας +2,5mmyr 1 για το Βόρειο Αιγαίο, Κρητική θάλασσα, Βόρειο Ιόνιο και Νότιο Ιόνιο. (Mamoutos et al. 2015) στην εικόνα 34 είχαμε προσθήκη της μάζας +2,5mm ( ) για κάθε έτος που την προκάλεσε ο αρνητικός Αλοστερικός όρος (. Η εικόνα 34 δείχνει πως μεταβάλλεται η Θερμοστερική συνιστώσα χωρικά. Η εικόνα 35 δείχνει πως μεταβάλλεται η Αλοστερική συνιστώσα χωρικά. Εικόνα 35.Η χωρική μεταβολή του Θερμοστερικού συστατικού για την περίοδο και σε σύγκριση με την περίοδο (Mamoutos et al. 2015) Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης σελ. 53

54 Εικόνα 36. Η χωρική μεταβολή του Αλοστερικού συστατικού για την περίοδο και σε σύγκριση με την περίοδο (Mamoutos et al. 2015) Η εικόνα 37 μας δείχνει την μεταβολή της Στερικής συνιστώσας για την περίοδο για το Αιγαίο και το Ιόνιο πέλαγος. Εικόνα 37. Η μεταβολή της Στερικής συνιστώσας όπως αυτή καθορίζεται από το Θερμοστερική και το Αλοστερική συνιστώσα για την περίοδο (Mamoutos et al. 2015) σελ. 54, Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης

55 Στην συνέχεια θα υπολογίσουμε την συνολική άνοδο της θάλασσας για το Αιγαίο και το Ιόνιο Πέλαγος για t=2100 ακολουθώντας την εξίσωση (12) το σενάριο RCP4.6 για τον ηπειρωτικό πάγο(εικόνα 2) και την εικόνα 36.Το σενάριο RCP4.6 δείχνει ότι η θαλάσσια στάθμη θα αυξηθεί από τους παγετώνες 22cm κατά μέσο όρο για την περίοδο Από την εικόνα 37 η Αλοστερική συνισώσα έχει τιμή 38 και η Θερμοστερική συνιστώσα έχει τιμή 20. Για t=2100yr, όπου, Θεωρήσαμε 0 επειδή ένας αρνητικός Αλοστερικός όρος ενεργοποιεί τους μαζικούς όρους που έρχονται να αναπληρώσουν την απώλεια μάζας. 1.8.Συμπεράσματα Η μεταβολή της στάθμης της θάλασσας μιας ημίκλειστης λεκάνης μπορεί να διαφέρει αισθητά από τη μέση παγκόσμια στάθμη. Η ανάλυση των Jorda & Gomis (2013) δείχνει ότι χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή όταν συσχετίζουμε τις μεταβολές τις αλατότητας με μεταβολές της στάθμης της θάλασσας. Συγκεκριμένα, οι αλλαγές στην αλατότητα δεν επηρεάζουν μόνο την στερική συνιστώσα(steric component),αλλά συμπεριλαμβάνουν και μια αλλαγή στη συνιστώσα της μάζας(mass component). Για παράδειγμα στον υπολογισμό της στάθμης της θάλασσας στο Αιγαίο και Ιόνιο Πέλαγος που έγινε στην παράγραφο 1.7.1,εάν δεν συμπεριλαμβάναμε την συνιστώσα της μάζας τότε το αποτέλεσμα θα ήταν: Δηλαδή θα καταλήγαμε σε μια οριακά αύξηση της στάθμης της θάλασσας σε 4. Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης σελ. 55

56 Η εφαρμογή της θεωρίας αυτής για την Μεσόγειο θάλασσα, δείχνει από παρατηρήσεις ότι τα τελευταία 50 χρόνια η συνολική μεταβολή της στάθμης οφείλεται κυρίως στην θετική τάση της συνιστώσας της μάζας, η στερική συνιστώσα παρουσιάζει πτωτική τάση. Οι προβολές δείχνουν ότι στο τέλος του 21 ου αιώνα η άνοδος της στάθμης της Μεσογείου θα οφείλεται κυρίως στην αύξηση της μάζας και στη θερμική διαστολή.οι αλλαγές στην αλατότητα θα έχουν μικρή επίδραση στη στάθμη. Η εφαρμογή της θεωρίας για της Ελληνικές θάλασσες,δείχνει από προβολές ότι η άνοδος της στάθμης της θάλασσας για το 2100 θα είναι κατά προσέγγιση 44cm. Βιβλιογραφία Hunter, J. "A simple technique for estimating an allowance for uncertain sea level rise." Climatic Change (2012): IPCC (2013), Climte climate change: The Phycical,Science Basis. Sea level change. IPCC, 2014: Climate Change 2014: Impacts, Adaptation, and Vulnerability. Part A: Global and Sectoral Aspects. Contribution of Working Group II to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Field, C.B., V.R. Barros, D.J. Dokken, K.J. Mach, M.D. Mastrandrea, T.E. Bilir, M. Chatterjee, K.L. Ebi, Y.O. Estrada, R.C. Genova, B. Girma, E.S. Kissel, A.N. Levy, S. MacCracken, P.R. Mastrandrea, and L.L. White (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 1132 pp. IPCC, 2014: Climate Change 2014: Impacts, Adaptation, and Vulnerability. Part B: Regional Aspects. Contribution of Working Group II to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Barros, V.R., C.B. Field, D.J. Dokken, M.D. Mastrandrea, K.J. Mach, T.E. Bilir, M. Chatterjee, K.L. Ebi, Y.O. Estrada, R.C. Genova, B. Girma, E.S. Kissel, A.N. Levy, S. MacCracken, P.R. Mastrandrea, and L.L. White (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 688 pp. Jordà, G., and D. Gomis (2013), On the interpretation of the steric and mass components of sea level variability: The case of the Mediterranean basin, J. Geophys. Res. Oceans, 118, , doi: /jgrc σελ. 56, Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης

57 Losada, I. J., et al. "Long term changes in sea level components in Latin America and the Caribbean." Global and Planetary Change 104 (2013): Mamoutos, G., Tragou, E., Kakagiannis, G. (2014). Mean sea level changes in the Greek Seas. In 6th Panhellenic Conference in Management and Improvement of Coastal Zones, November 2014, Athens, Greece, pp Marcos, Marta, Michael N. Tsimplis, and Andrew GP Shaw. (2009) "Sea level extremes in southern Europe." Journal of Geophysical Research: Oceans 114.C1. Menéndez, Melisa, and Philip L. Woodworth. "Changes in extreme high water levels based on a quasi global tidegauge data set." Journal of Geophysical Research: Oceans 115.C10 (2010). Tsimplis, M. N., M. Marcos, and S. Somot (2008), 21st century Mediterranean sea level rise: Steric and atmospheric pressure contributions from a regional model, Global Planet. Change, 63, John,M.,and R.AlenPlumb(2008).Atmosphere,Ocean,and Climate Dynamics:An Introductory Text Tragou,E(2014).Ocean and Climate Change Zervakis,B(2012). Introductory Dynamic Oceanography Μέση Στάθμη Ημίκλειστης Λεκάνης σελ. 57