buoyancy TRANSPORT THROUGH THE AEGEAN SEA

Transcript

1 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΑΝΤΑΛΛΑΓΩΝ ΠΛΕΥΣΤΟΤΗΤΑΣ ΣΤΗ ΘΑΛΑΣΣΑ ΤΟΥ ΑΙΓΑΙΟΥ Μερκουριάδη Ι., Τράγου Ε., Ζερβάκης Β. Τμήμα Επιστημών της Θάλασσας, Πανεπιστήμιο Αιγαίου, Περίληψη Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η εκτίμηση των ανταλλαγών πλευστότητας μεταξύ Βορείου και Νοτίου Αιγαίου, που με τη σειρά της παρέχει μια πρώτη εκτίμηση της συνεισφοράς του Αιγαίου στην υπερετήσια μεταβλητότητα των βαθιών νερών της Ανατολικής Μεσογείου. Οι ανταλλαγές πλευστότητας μεταξύ βόρειας και νότιας λεκάνης για τη χρονική περίοδο προκύπτουν από τα ισοζύγια πλευστότητάς τους, χρησιμοποιώντας υδρογραφικές μετρήσεις σε συνδυασμό με τη χρονικά ολοκληρωμένη ροή πλευστότητας από την ατμόσφαιρα και από τα Στενά των Δαρδανελίων. Τα αποτελέσματα των υπολογισμών, θεωρώντας την κάθε λεκάνη σαν ενιαία μάζα νερού (ένα κουτί), δείχνουν ότι και σε εποχική και σε ετήσια βάση το Βόρειο Αιγαίο εξάγει πλευστότητα προς το Νότιο, ενώ το Νότιο εξάγει πλευστότητα προς την Ανατολική Μεσόγειο. Αντίθετα, όταν η κάθε λεκάνη χωρίζεται σε επιμέρους στρώματα, αλλάζει σημαντικά η συμπεριφορά των ανταλλαγών μεταξύ Βορείου και Νοτίου Αιγαίου, με το ενδιάμεσο στρώμα να μεταφέρει πυκνό νερό προς το νότο, δίνοντας για πρώτη φορά ενδείξεις για το ρόλο που μπορεί να έχει στην θερμόαλη λειτουργία της περιοχής στη συγκεκριμένη χρονική περίοδο. Λέξεις κλειδιά: ισοζύγια πλευστότητας, ροές πλευστότητας, περιεχόμενο πλευστότητας. buoyancy TRANSPORT THROUGH THE AEGEAN SEA Merkouriadi I., Tragou E., Zervakis V. Marine Sciences Dpt., University of the Aegean, Abstract Buoyancy exchanges in the Aegean Sea lead to the formation of deep and bottom water, which occasionally overflows in the eastern Mediterranean. In this study we attempt an assessment of the buoyancy exchange between the North and South Aegean and between South Aegean and Eastern Mediterranean through budget estimations. These budgets are obtained for the period using hydrographic records, and time-integrated fluxes through the atmosphere and the Dardanelles Strait. Our budget estimates show that the North Aegean Sea, as a whole, exports buoyancy to the South, while the South Aegean exports buoyancy to the Eastern Mediterranean. However, examination of the buoyancy budgets for three different layers shows considerable differences in the exchanges between the North and the South Aegean, with the intermediate layer transporting dense water to the south, thus providing some evidence for its role in the thermohaline circulation of the broader area during the period under examination. Keywords: buoyancy fluxes, buoyancy budgets, deep-water formation. 1. Εισαγωγή Το Βόρειο Αιγαίο, είναι μία θαλάσσια περιοχή μέσω της οποίας νερά από τη Μαύρη Θάλασσα εισάγονται στην Ανατολική Μεσόγειο από τα στενά των Δαρδανελίων. Τα νερά της Μαύρης Θάλασσας, που αρχικά εισάγονται στο Βόρειο Αιγαίο, χαρακτηρίζονται από πολύ χαμηλή αλατότητα και, συνεπώς, χαμηλή πυκνότητα σε σχέση με τα νερά αυτής της περιοχής του Αιγαίου. Επομένως, τα Δαρδανέλια αποτελούν πηγή εισόδου πλευστότητας για το Βόρειο Αιγαίο, με αποτέλεσμα αυτό να συμπεριφέρεται ως λεκάνη αραίωσης ως προς το υπόλοιπο Αιγαίο και την Ανατολική Μεσόγειο. Εντούτοις, υπάρχουν στοιχεία ότι για κάποιες περιόδους το Βόρειο Αιγαίο συμπεριφέρεται ως λεκάνη συμπύκνωσης. Το γεγονός ότι οι βαθιές ημίκλειστες λεκάνες του Βορείου Αιγαίου περιέχουν από τα πυκνότερα (σ θ > 29.4 kg m -3 ) νερά της Ανατολικής Μεσογείου, αποτελεί σαφή ένδειξη της ύπαρξης περιόδων κατά τις οποίες το Βόρειο Αιγαίο συμπεριφέρεται ως λεκάνη συμπύκνωσης, δηλαδή ως περιοχή σχηματισμού νερών υψηλής πυκνότητας. Δημιουργία πυκνών υδάτων στο Βόρειο Αιγαίο έχει τεκμηριωθεί δύο φορές τα τελευταία 20 χρόνια (χειμώνας , , Zervakis -422-

2 9 ο Πανελλήνιο Συμπόσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας Πρακτικά, Τόμος Ι et al., 2000). Κατά τις περιόδους μαζικού σχηματισμού πυκνών νερών, τα προϋπάρχοντα νερά των βαθύτερων στρωμάτων ανέρχονται σε μικρότερα βάθη αφού αντικαθίστανται από πυκνότερες, και επομένως βαρύτερες, μάζες νερού. Τα ανερχόμενα νερά πιθανότατα διαδίδονται νοτιότερα, όπου τροποποιούνται (ίσως κερδίζουν πυκνότητα) και τελικά συνεισφέρουν στο πυκνό νερό των Κρητικών Στενών του Νοτίου Αιγαίου, προκαλώντας φαινόμενα όπως τη υπερετήσια μεταβλητότητα των βαθιών νερών της Ανατολικής Μεσογείου (Eastern Mediterranean Transient). Ο υπολογισμός των ανταλλαγών όγκου και πλευστότητας μεταξύ Βόρειου και Νότιου Αιγαίου, καθώς και η εξέλιξη και οι διακύμανση αυτών των ανταλλαγών στο χρόνο, επιτρέπουν την κατανόηση του ρόλου του Βόρειου Αιγαίου στη θερμόαλη κυκλοφορία του Αιγαίου και της Ανατολικής Μεσογείου. Στην παρούσα εργασία, επιχειρείται μία προσπάθεια εκμετάλλευσης νέων εκτιμήσεων ροών πλευστότητας με σκοπό να ποσοτικοποιηθεί αρχικά το φορτίο πλευστότητας στο Βόρειο και το Νότιο Αιγαίο, στη συνέχεια οι ανταλλαγές πλευστότητας μεταξύ των δύο λεκανών και τελικά οι ανταλλαγές πλευστότητας μεταξύ του Νοτίου Αιγαίου και της Ανατολικής Μεσογείου. 2. Μεθοδολογία 2.1 ΑΡΧΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ Η μεθοδολογία είναι παρόμοια με των Tragou et al., Με βάση την αρχή διατήρησης της μάζας οι λεκάνες του Βόρειου και Νότιου Αιγαίου θεωρούνται δύο μονοδιάστατα κουτιά. Θεωρείται δηλαδή, πως η πλευστότητα είναι διατηρητικό μέγεθος και οι αλλαγές στο περιεχόμενό της εξαρτώνται εξ ολοκλήρου από τις ροές μέσα και έξω από τα κουτιά. Ο μαθηματικός συμβολισμός της παραπάνω ισορροπίας ορίζεται ως: όπου B(t) το περιεχόμενο πλευστότητας στο κουτί τη χρονική στιγμή t, A η επιφάνεια της λεκάνης και F(t) το καθαρό άθροισμα των ροών (εντός και εκτός του κουτιού). Ολοκληρώνοντας την παραπάνω εξίσωση με το χρόνο προκύπτει: (1) (2) Από την εξίσωση (2) συμπεραίνεται ότι η αλλαγή του περιεχομένου πλευστότητας της κάθε λεκάνης από τη χρονική στιγμή t 1 μέχρι τη χρονική στιγμή t 2 δίνεται από το ολοκλήρωμα των καθαρών ροών πλευστότητας μεταξύ των δύο χρονικών στιγμών. Στην εικόνα 1 παρουσιάζονται σχηματικά οι ροές της πλευστότητας για το Βόρειο και το Νότιο Αιγαίο. 2.2 ΙΣΟΖΥΓΙΑ ΠΛΕΥΣΤΟΤΗΤΑΣ ΓΙΑ ΤΟ ΒΟΡΕΙΟ ΚΑΙ ΤΟ ΝΟΤΙΟ ΑΙΓΑΙΟ Όπως διακρίνεται στην εικ. 1, το ισοζύγιο πλευστότητας για το Βόρειο Αιγαίο απαρτίζεται από ανταλλαγές πλευστότητας με την ατμόσφαιρα (F α ΝΑ ), είσοδο πλευστότητας από τα Δαρδανέλια στο βόρειο τμήμα της λεκάνης (F D ) και ανταλλαγές πλευστότητας με το Νότιο Αιγαίο μέσω της υφαλοκρηπίδας των Κυκλάδων στο νότιο τμήμα της λεκάνης (F C ). Αντίστοιχα, το ισοζύγιο πλευστότητας για το Νότιο Αιγαίο καθορίζεται από ανταλλαγές πλευστότητας με την ατμόσφαιρα (F α SΑ ), με το Βόρειο Αιγαίο μέσω των Κυκλάδων (F C ), ανταλλαγές πλευστότητας με τα Κρητικά Στενά στο νότιο τμήμα της λεκάνης (F S ). Από τα παραπάνω προκύπτουν οι εξισώσεις των ισοζυγίων πλευστότητας για το Βόρειο (3) και -423-

3 για το Νότιο Αιγαίο (4). (3) (4) Όπου ΔΒ North η διαφορά στο περιεχόμενο πλευστότητας μεταξύ δύο ταξιδιών για το Βόρειο Αιγαίο, και ΔΒ South η διαφορά στο περιεχόμενο πλευστότητας μεταξύ δύο ταξιδιών για το Νότιο Αιγαίο. Τα ισοζύγια της πλευστότητας υπολογίστηκαν σε σύνολο έξι φορές. Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν προέρχονται από πέντε διαδοχικά ταξίδια (Πίν. 1) του ωκεανογραφικού σκάφους «ΑΙ- ΓΑΙΟ» του τότε Εθνικού Κέντρου Θαλασσίων Ερευνών (νυν ΕΛ.ΚΕ.Θ.Ε.). Οι τέσσερις από αυτούς τους υπολογισμούς έγιναν για διαδοχικά ταξίδια έτσι ώστε να μελετηθούν οι ανταλλαγές πλευστότητας σε εποχιακή κλίμακα, ενώ οι δύο τελευταίοι έγιναν μεταξύ των ταξιδιών Lia 5-Lia 7 και Lia 6-Lia 8 με σκοπό να μελετηθούν οι ανταλλαγές πλευστότητας σε ετήσια κλίμακα. Στον Πίνακα 1 καταγράφονται οι ημερομηνίες έναρξης και λήξης κάθε ταξιδιού. Πίνακας 1: Ημερομηνίες έναρξης και λήξης των ταξιδιών. Ταξίδι Έναρξη Λήξη Lia Lia Lia Lia Lia ΠΗΓΕΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Επιφανειακά δεδομένα ροών θερμότητας και υδάτων (βροχόπτωση-εξάτμιση) για την περίοδο προήλθαν από το ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasting). Οι ροές αυτές μετατράπηκαν σε ροές πλευστότητας, με χρήση επιπλέον κλιματολογικών δεδομένων θερμοκρασίας και αλατότητας με σκοπό να υπολογιστούν αντίστοιχα οι συντελεστές διαστολής της θερμοκρασίας και της αλατότητας. Η εισροή πλευστότητας από το Στενό των Δαρδανελίων, υπολογίσθηκε με βάση τα αποτελέσματα του μοντέλου των Maderich και Ilyin (2002). Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτή την εργασία για τον υπολογισμό των περιεχομένων πλευστότητας προέρχονται από πλόες του Ω/Κ «ΑΙΓΑΙΟ» του ΕΛ.ΚΕ.Θ.Ε. Για να υπολογιστεί το περιεχόμενο πλευστότητας των λεκανών Βορείου και Νοτίου Αιγαίου, υπολογίσθηκαν οι κατανομές πυκνότητας σε προεπιλεγμένα βάθη (5, 10, 20, 50, 70, 100, 150, 200, 300, 400, 500, 750, 1000, 1250, 1500, 1750 και 2000 m) και στη συνέχεια υπολογίστηκε το ολοκλήρωμα της πλευστότητας σε κάθε στρώμα βάθους. Ακολούθησε ολοκλήρωση των αποτελεσμάτων κατακόρυφα, λαμβάνοντας υπόψη την οριζόντιο επιφάνεια της λεκάνης σε κάθε βάθος, με σκοπό να εκτιμηθεί το περιεχόμενο της πλευστότητας και για τις δύο λεκάνες. 3. Αποτελέσματα Στις παρακάτω Εικόνες 2 και 3 απεικονίζονται τα ισοζύγια πλευστότητας για τις χρονικές περι

4 9 ο Πανελλήνιο Συμπόσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας Πρακτικά, Τόμος Ι όδους μεταξύ των ταξιδιών Lia 5-Lia 7 και Lia 6-Lia 8 (περίοδοι 1-2), έτσι ώστε να μελετηθούν οι ανταλλαγές σε ετήσια κλίμακα και οι ροές για τις χρονικές περιόδους μεταξύ διαδοχικών ταξιδιών Lia 4-Lia 5, Lia 5-Lia 6, Lia 7-Lia 8 και Lia 8-Lia 9 (περίοδοι ) με σκοπό να μελετηθεί η εποχιακή κλίμακα των ανταλλαγών για το Βόρειο και το Νότιο Αιγαίο αντίστοιχα. Εικ. 2: Απεικόνιση των ροών πλευστότητας από τα Δαρδανέλια (Δ), την ατμόσφαιρα (Ε), την ανταλλαγή με το Νότιο Αιγαίο στις Κυκλάδες (Β-Ν) και του περιεχομένου πλευστότητας του Βόρειου Αιγαίου (ΔΒ) σε ετήσια κλίμακα (αριστερά) και σε εποχιακή κλίμακα (δεξιά). Εικ. 3: Απεικόνιση των ροών πλευστότητας από στις Κυκλάδες (Β-Ν), την ατμόσφαιρα (Ε), της ανταλλαγής πλευστότητας με την Ανατολική Μεσόγειο από τα Κρητικά Στενά (ΚΣ) και του περιεχομένου πλευστότητας του Νοτίου Αιγαίου (ΔΒ) σε ετήσια κλίμακα (αριστερά) και σε εποχιακή κλίμακα (δεξιά). Όπως παρατηρείται στα παραπάνω σχήματα, το Βόρειο Αιγαίο αποτελεί μία τυπική λεκάνη αραίωσης καθώς τροφοδοτεί το Νότιο Αιγαίο με πλευστότητα. Το ίδιο παρατηρείται και για το Νότιο Αιγαίο το οποίο, με τη σειρά του, τροφοδοτεί με πλευστότητα την Ανατολική Μεσόγειο με ακόμα μεγαλύτερους ρυθμούς. Σε αντίθεση όμως με την ένδειξη που δίνουν τα αποτελέσματα των ισοζυγίων, έχει παρατηρηθεί ότι τουλάχιστον για κάποια περίοδο εντός της περιόδου που ανακτήθηκαν τα CTD δεδομένα, το Βόρειο Αιγαίο συμπεριφέρεται ως λεκάνη συμπύκνωσης (Zervakis et al., 2000; Gertman et al., 2006). Σε αυτό το σημείο, γίνεται μία απόπειρα υπολογισμού της διαφοράς των περιεχομένων πλευστότητας μεταξύ διαδοχικών ταξιδιών, για τρία στρώματα βάθους τα οποία ορίζονται διαφορετικά για την κάθε υπολεκάνη. Η μελέτη για το Βόρειο Αιγαίο γίνεται στα στρώματα 0-100m, m και m ενώ για το Νότιο Αιγαίο στα στρώματα 0-100m, m και m. Τα αποτελέσματα για το Βόρειο και το Νότιο Αιγαίο παρατίθενται στην Εικόνα Συμπεράσματα - Συζήτηση Μία πρώτη ανάλυση των αποτελεσμάτων των ισοζυγίων πλευστότητας Βορείου και Νοτίου Αιγαίου δείχνει ότι σε εποχιακή και ετήσια βάση, το Βόρειο Αιγαίο εξάγει πλευστότητα προς το Νότιο, το οποίο με τη σειρά του εξάγει μικρότερες ποσότητες πλευστότητας προς το Ιόνιο και τη Λεβαντίνη. Τα αποτελέσματα ισχύουν ακόμα και για μια περίοδο που είχαμε εντονότατη δημιουργία πυκνών νερών στο Βόρειο Αιγαίο. Η μέθοδος του απλού κιβωτίου λοιπόν δεν είναι σε θέση να αποκαλύψει τη λειτουργία των λεκανών ως περιοχών δημιουργίας πυκνών νερών, γιατί στις συγκεκριμένες χρονικές κλίμακες το σήμα υπερκαλύπτεται από τη συνεχή λειτουργία ως λεκανών αραίωσης

5 Εικ. 4: Μεταβολή του περιεχομένου πλευστότητας του Αιγαίου από ταξίδι σε ταξίδι του Ω/Κ Αιγαίο. Μια θεώρηση πολυστρωματικών κιβωτίων, όπου κάθε λεκάνη περιέχει τρία στρώματα (επιφανειακό, ενδιάμεσο και βαθύ στρώμα) είναι σε θέση να αποκαλύψει λεπτομέρειες της λειτουργίας των λεκανών. Συγκεκριμένα, γίνεται σαφές ότι ενώ το επιφανειακό στρώμα συμπεριφέρεται σε άμεση εποχιακά απόκριση στην ατμοσφαιρική διέγερση, το ενδιάμεσο στρώμα μεταφέρει το σήμα της δημιουργίας πυκνών νερών από Βορρά προς Νότο, και μάλιστα ανεξάρτητα της εποχής. Για να προκύψουν όμως ακριβέστερα συμπεράσματα, θα ακολουθήσει η εφαρμογή ενός πολυστρωματικού μοντέλου, αντίστοιχης λογικής με τις εξισώσεις των ισοζυγίων, το οποίο θα υπολογίζει επιπλέον τώρα τις ροές πλευστότητας σε αυτά τα στρώματα βάθους. 5. Ευχαριστίες Η μελέτη αυτή έλαβε χώρα στα πλαίσια του ερευνητικού προγράμματος «Southern European Seas: Assessing an d Modelling Ecosystem Changes (SESAME)», χρηματοδοτούμενου από το 6 ο Πρόγραμμα-Πλαίσιο της Ευρωπαϊκής Επιτροπής. 6. Βιβλιογραφικές Αναφορές Gertman I., Pinardi N., Popov Y. & Hecht A., Aegean Sea Water Masses during the Early Stages of the Eastern Mediterranean Climatic Transient ( ). Journal of Physical Oceanography, 36 (9): Maderich V.S. & Ilyin Y.P., Seasonal and interannual variability of the Black Sea-Bosphorus-Marmara Sea-Dardanelles system. 2nd International Conference on Oceanography of the Eastern Mediterranean and Black Sea: Similarities and Differences of Two Interconnected Basins, October 2002, Ankara, Turkey. Tragou E., Zervakis V., Papadopoulos A., Maderich V.S., Georgopoulos D. & Theocharis, A., Buoyancy transport through the Aegean Sea. 2nd International Conference on «Oceanography of the Eastern Mediterranean and Black Sea: Similarities and Differences of Two Interconnected Basins», October 2002, Ankara, Turkey. Zervakis, V., Georgopoulos, D. & Drakopoulos, P. G., The role of the North Aegean in trigerring the recent Eastern Mediterranean climatic changes. Journal of Geophysical Research, 105 (C11):