ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ 3: Η ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΤΟΥ ΘΑΛΑΣΣΙΝΟΥ ΝΕΡΟΥ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΠΑΡΑΚΤΙΑΣ ΩΚΕΑΝΟΓΡΑΦΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ 3: Η ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΤΟΥ ΘΑΛΑΣΣΙΝΟΥ ΝΕΡΟΥ ΑΓΡΙΝΙΟ, 2016

2 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ 3: Η ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΤΟΥ ΘΑΛΑΣΣΙΝΟΥ ΝΕΡΟΥ Καθώς η ενέργεια εισέρχεται από τον ήλιο στον ωκεανό, απορροφάται και αποθηκεύεται στη μάζα του ωκεάνιου νερού ως θερμότητα. Η ενέργεια επίσης εξατμίζει το θαλασσινό νερό και με αυτό τον τρόπο αυξάνει την αλατότητά του. Για τους σκοπούς αυτής της άσκησης θα εστιάσουμε την προσοχή μας στο τμήμα της εισερχόμενης ακτινοβολίας που πέφτει στο νερό. Θερμαίνοντας ένα υλικό, αυτό διαστέλλεται και έτσι μειώνεται η πυκνότητα του (μάζα ανά μονάδα όγκου). Αντίστροφα, ψύχοντας ένα υλικό αυξάνεται η πυκνότητά του. Στην περίπτωση του θαλασσινού νερού οι αλλαγές στην πυκνότητα από την εποχιακή θέρμανση ή ψύξη αποτελούν μία από τις διαδικασίες που δημιουργούν τα ωκεάνια ρεύματα. Η μεταβολή της ποσότητας των διαλυμένων αλάτων στο θαλασσινό νερό, επηρεάζει επίσης την πυκνότητα. Η μείωση του όγκου λόγω της πίεσης από τα υπερκείμενα στρώματα νερού είναι ο τρίτος παράγοντας που καθορίζει την πυκνότητα του θαλασσινού νερού σε κάθε σημείο. Από τους τρεις παράγοντες θερμοκρασία, αλατότητα και πίεση η θερμοκρασία είναι ο πιο σημαντικός παράγοντας. Για το λόγο αυτό, ένα απλό μοντέλο της ωκεάνιας κυκλοφορίας των επιφανειακών νερών σε μία περιοχή μπορεί να κατασκευαστεί βασιζόμενο μόνο στη θερμοκρασία. Το να κατανοήσουμε την ωκεάνια κυκλοφορία είναι σημαντικό διότι η κίνηση του νερού επηρεάζει την κατανομή της ενέργειας και των υλών στη γη, καθορίζει τα θαλάσσια βιολογικά περιβάλλοντα και έχει μία πολύ σημαντική επίδραση στο κλίμα. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η διαφορά κλίματος που υπάρχει μεταξύ της πόλης της Ηγουμενίτσας και της Κοζάνης, περιοχές που βρίσκονται σχεδόν στο ίδιο γεωγραφικό πλάτος και γι αυτό το λόγο θα αναμενόταν να έχουν παρόμοιο κλίμα. Ο πρώτος και σημαντικότερος παράγοντας που ελέγχει τη μεταβολή του κλίματος στις δύο πόλεις είναι η θερμοκρασία του νερού της επιφάνειας της θάλασσας κοντά στην Ήπειρο, διότι αυτή ελέγχει ή/και ρυθμίζει τις τοπικές θερμοκρασίες του αέρα και την υγρασία, και ο δεύτερος είναι φυσικά και η μεγάλη οροσειρά της Πίνδου. Μπορούμε να δούμε τη σπουδαιότητα της θερμοκρασίας σαν μία επίδραση στην πυκνότητα του νερού, αν κάνουμε μία ποσοτική σύγκριση της επίδρασης στην πυκνότητα των αλλαγών της αλατότητας και της θερμοκρασίας. Θα αποκλείσουμε τις επιδράσεις της πίεσης από την στιγμή που είναι πολύ μικρές σε νερό ρηχότερο από 1000 μέτρα. Η μεταβολή της αλατότητας κατά ένα μέρος αλατιού ανά χίλια μέρη νερού (1 μέρος ανά χίλια, ή 1 ) έχει περισσότερη επίδραση στην πυκνότητα απ ότι μία μεταβολή της θερμοκρασίας κατά 1 ο C. Για παράδειγμα, η διαφορά της πυκνότητας που παράγεται από τη μεταβολή κατά 1 της αλατότητα είναι 0,001 gr/cm 3, και η διαφορά της πυκνότητας που παράγεται από τη μεταβολή της θερμοκρασίας κατά 1 ο C είναι, κατά κανόνα, ανάμεσα στο 0,00005 και 0,00035 gr/cm 3. Θεωρώντας τα νερά της επιφάνειας των ωκεανών ως σύνολο, διαπιστώνουμε ότι η θερμοκρασία είναι ο πιο σημαντικός παράγοντας διότι οι μεταβολές της (κυμαίνονται από -2 σε 35 ο C) είναι πολύ σημαντικότερες από τις μεταβολές της Θερμοκρασία - Σελ. 2

3 αλατότητας (οι οποίες κυμαίνονται μόνο από 33 σε 37 ). Σε αυτή την άσκηση θα ασχοληθούμε με την θερμοκρασία και με το δεύτερο παράγοντα, την αλατότητα, στην επόμενη άσκηση. 1. ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ Οι ωκεανοί παρουσιάζουν ένα πολύ μεγάλο εύρος θερμοκρασιακών τιμών. Στα παράκτια τροπικά νερά η θερμοκρασία ανέρχεται στους 38 ο C, ενώ στα πολικά νερά φτάνει μέχρι τους -2 ο C. Υπενθυμίζεται ότι το σημείο πήξης του θαλάσσιου νερού είναι χαμηλότερο κατά 2 C από αυτό του γλυκού νερού, το οποίο, ως γνωστό, εμφανίζεται στους 0 ο C. Η διαφορά αυτή οφείλεται στη ύπαρξη αλάτων στο ωκεάνιο νερό. Το σημείο πήξης μειώνεται κατά ~0,3 C όταν η τιμή της αλατότητας αυξάνεται κατά 5. Η θερμοκρασία των επιφανειακών στρωμάτων του ωκεανού επηρεάζεται από την: Ένταση της ηλιακής και κοσμικής ακτινοβολίας. Ατμοσφαιρική κυκλοφορία. Ύπαρξη θαλάσσιων ρευμάτων. Ο πρώτος παράγοντας αποτελεί την κύρια ενεργειακή πηγή, ο δεύτερος μεταφέρει την θερμότητα μεταξύ ατμόσφαιρας και ωκεανού, ενώ ο τρίτος κατανέμει το ποσοστό της θερμότητας που έχει απορροφήσει ο ωκεανός στα διάφορα (επιφανειακά και βαθιά) θαλάσσια στρώματα. Η τιμή της θερμοκρασίας στα επιφανειακά στρώματα του ωκεάνιου νερού εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος και την εποχή του χρόνου. Μεγαλύτερη ποσότητα θερμότητας ανά μονάδα επιφάνειας δέχεται ο Ισημερινός από ότι οι πόλοι, ενώ μεγαλύτερη ποσότητα θερμότητας δέχεται μια περιοχή το καλοκαίρι από ότι το χειμώνα. Η θάλασσα χαρακτηρίζεται από σημαντική ικανότητα αποθήκευσης θερμότητας. Μεγαλύτερα ποσά θερμότητας ανά μονάδα επιφάνειας απορροφώνται στην περιοχή του Ισημερινού από ότι στους πόλους. Ωστόσο, η θερμότητα που έχει απορροφηθεί σε μια ωκεάνια περιοχή μεταφέρεται σε άλλα γεωγραφικά μήκη και πλάτη μέσω οριζόντιων υπο-επιφανειακών ρευμάτων, ενώ η θέρμανση των βαθιών ωκεάνιων λεκανών γίνεται μέσω των καθοδικών ρευμάτων. Γενικά, η μεγάλη θερμοχωρητική ικανότητα της θάλασσας διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση του παγκόσμιου κλίματος, αφού μετριάζει τις ακραίες καταστάσεις και συμβάλλει στην ομοιόμορφη κατανομή της θερμοκρασίας στις ηπειρωτικές και παράκτιες περιοχές. 2. ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΔΙΑΚΥΜΑΝΣΕΙΣ Οι τιμές της θερμοκρασίας στην επιφάνεια του παγκόσμιου ωκεανού (βάθη νερού μέχρι 5 m) παρουσιάζουν μια ζώνωση ως προς το γεωγραφικό πλάτος. Η μέση ετήσια θερμοκρασία κοντά στον Ισημερινό φτάνει στους 28 ο C, ενώ μειώνεται προοδευτικά προς τους πόλους, όπου η τιμή της προσεγγίζει τους -2 ο C. Όμως, οι ισόθερμες καμπύλες (δηλαδή, οι γραμμές που ενώνουν περιοχές με την ίδια θερμοκρασία) αποκλίνουν από το ιδεατό μοντέλο της ζωνικής κατανομής, ιδιαίτερα: Θερμοκρασία - Σελ. 3

4 (α) Στον Βόρειο Ατλαντικό, του οποίου οι πολικές και υποπολικές περιοχές έχουν νερά με σχετικά μεγαλύτερη θερμοκρασία από τα νερά των αντίστοιχων περιοχών του Βόρειου Ειρηνικού, (β) Στα ανατολικά περιθώρια των ωκεανών, με μικρά και μέσα γεωγραφικά πλάτη, όπου το φαινόμενο της ανάδυσης (upwelling) βαθιών και ψυχρών ρευμάτων προς την επιφάνεια συμβάλλει αποφασιστικά στην πτώση της θερμοκρασίας των επιφανειακών νερών στις περιοχές αυτές, και (γ) Στον τροπικό Ειρηνικό, όπου η μεταφορά, προς στα ανατολικά, θερμών επιφανειακών υδάτινων μαζών προκαλεί την ανάπτυξη τροπικών κυκλώνων, δηλαδή ιδιαίτερα χαμηλών βαρομετρικών (ατμοσφαιρικών) συστημάτων με εξαιρετικά ισχυρή ένταση. Εικόνα 1. Μέση ετήσια θερμοκρασία του επιφανειακού στρώματος του Παγκόσμιου Ωκεανού Στις ωκεάνιες περιοχές μέσου γεωγραφικού πλάτους (από 30 έως 40 ) εντοπίζεται το μέγιστο εύρος των ετήσιων διακυμάνσεων της θερμοκρασίας μέγιστη τιμή παρουσιάζεται τους μήνες Αύγουστο-Σεπτέμβριο και η ελάχιστη τους μήνες Φεβρουάριο-Μάρτιο. Αντίθετα, στο νότιο ημισφαίριο, η διακύμανση της επιφανειακής θερμοκρασίας συνδέεται πρωτίστως με την ηλιακή ακτινοβολία. Στην περιοχή του Ισημερινού και στα μεγάλα γεωγραφικά πλάτη το ετήσιο εύρος δεν είναι μεγάλο και σπάνια υπερβαίνει τους 2 o C. Ωστόσο, σε θάλασσες που περιβάλλονται από χέρσο, π.χ. Αδριατική, τη Βαλτική, τη Μαύρη Θάλασσα, το εύρος των ετήσιων διακυμάνσεων της επιφανειακής θερμοκρασίας μπορεί να ανέλθει μέχρι και τους 14 C. Στις περιοχές αυτές το κλίμα που επικρατεί χαρακτηρίζεται ως σχεδόν ηπειρωτικό. 3. ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΕΣ ΔΙΑΚΥΜΑΝΣΕΙΣ Η κατακόρυφη διακύμανση της θερμοκρασίας είναι στενά συνδεδεμένη από την κυκλοφορία των ωκεάνιων ρευμάτων. Γενικά, το μοντέλο της κατανομής των τιμών της θερμοκρασίας ως προς το Θερμοκρασία - Σελ. 4

5 βάθος του νερού χαρακτηρίζεται από την ύπαρξη τριών ζωνών (Εικόνα 2): (α) της επιφανειακής (5-200 m), (β) της μεταβατικής ή θερμοκλινούς ( m) και της βαθιάς (>1000 m) ζώνης. Η θερμοκρασία στην ανώτατη στιβάδα νερού, το εύρος της οποίας κυμαίνεται από 0 έως 5 m, καθορίζεται από παράγοντες ανεξάρτητους από την ωκεάνια κυκλοφορία, όπως είναι η ποσότητα της ηλιακής ενέργειας και ο μηχανισμός θερμικής ανταλλαγής ωκεανού-ατμόσφαιρας. 1. Η επιφανειακή ζώνη (βάθος από 5 έως 200 m). Είναι μια σχετικά λεπτή και καλά αναμεμειγμένη ζώνη νερού που βρίσκεται κάτω από την άμεση επίδραση της ηλιακής ενέργειας και των θερμικών ανταλλαγών με την ατμόσφαιρα. Χαρακτηρίζεται από σχετικά σταθερή θερμοκρασία λόγω της ανάμειξης των νερών από τα ανεμογενή κύματα. Ωστόσο, η τιμή της θερμοκρασίας στην επιφανειακή ζώνη μεταβάλλεται σε σχέση με το γεωγραφικό πλάτος. Κοντά στον Ισημερινό, τα νερά έχουν υψηλές θερμοκρασίες καθ όλη τη διάρκεια του έτους. Αντίθετα, στις περιοχές που βρίσκονται κοντά στους πόλους, οι θερμοκρασίες των επιφανειακών στρωμάτων είναι σχεδόν πάντα ιδιαίτερα χαμηλές. Στην εύκρατη κλιματική ζώνη, οι τιμές της θερμοκρασίας που λαμβάνει ένα μια επιφανειακή μάζα νερού είναι χαμηλότερες από αυτές των τροπικών νερών και υψηλότερες των αντίστοιχων πολικών νερών και μεταβάλλονται σημαντικά κατά τη διάρκεια του έτους. Εικόνα 2. Κατακόρυφη κατανομή της θερμοκρασίας του Παγκόσμιου Ωκεανού 2. Η μεταβατική ζώνη ( βάθος από 200 έως 1000 m). Το στρώμα αυτό χαρακτηρίζεται από μια έντονη ελάττωση της θερμοκρασίας με το βάθος και καλείται θερμοκλινές. Το διακρίνουμε σε μόνιμο όταν υφίσταται δια-εποχιακά και σε εποχιακό όταν αλλάζει εποχιακά, (ιδιαίτερα σε μέσα γεωγραφικά πλάτη ή στις κλειστές και αβαθείς θαλάσσιες λεκάνες). Στα μικρά γεωγραφικά πλάτη, το θερμοκλινές έχει πολύ έντονη παρουσία και μικρή εποχιακή διακύμανση. Στα ενδιάμεσα γεωγραφικά πλάτη και καθώς πλησιάζουμε στους πόλους, το θερμοκλινές αρχίζει να έχει μικρότερο εύρος, ασαφή όρια και έντονες εποχιακές μεταβολές (Εικόνα 3). Στα μεγάλα γεωγραφικά Θερμοκρασία - Σελ. 5

6 πλάτη, το θερμοκλινές απουσιάζει εντελώς, αν και σε ορισμένες περιοχές που βρίσκονται σε επαφή με στους πάγους, και η θερμοκρασία εμφανίζει μια ιδιόρρυθμη κατανομή. Το επιφανειακό στρώμα, το οποίο επηρεάζεται από την τήξη των πάγων και από την πτώση πολύ ψυχρών ατμοσφαιρικών κατακρημνίσμάτων, είναι ψυχρότερο από τα βαθύτερα στρώματα, με αποτέλεσμα την αναστροφή του θερμοκλινούς. Ομογενές στρώμα ΓΙΑΝΝΗ ΑΡΕΤΗ Επιστημονικές εργασίες ΓΙΑΝΝΗ ΑΡΕΤΗ Επιστημονικές εργασίες ΓΙΑΝΝΗ ΑΡΕΤΗ Επιστημονικές εργασίες ΓΙΑΝΝΗ ΑΡΕΤΗ Βιογραφικό σημείωμα Υπόμνημα Εργασιών ΓΙΑΝΝΗ ΑΡΕΤΗ Βιογραφικό σημείωμα Υπόμνημα Εργασιών ΓΙΑΝΝΗ ΑΡΕΤΗ Βιογραφικό σημείωμα Υπόμνημα Εργασιών Εικόνα 3. Αριστερά: Σχηματισμός και αναστροφή του εποχικού θερμοκλινούς. Δεξιά: Κατά τη διάρκεια ζεστού καιρού, και αν υπάρχουν λίγες καταιγίδες, τα ανώτερα μέτρα του ωκεανού ζεσταίνονται. Αποτέλεσμα της θέρμανσης αυτής είναι η δημιουργία θερμοκλινούς σε μικρά βάθη, όπως φαίνεται και στην εικόνα. Η συνεχής καμπύλη παρουσιάζει την χειμερινή κατάσταση στο ομογενές στρώμα, και το σταθερό θερμοκλινές στα βαθειά, η στιγματισμένη καμπύλη (...) παρουσιάζει το εποχιακό θερμοκλινές που επιτυγχάνεται μετά από το ανοιξιάτικο ζέσταμα και αυτό εμφανίζεται μόνο στο ανώτερο ομογενές στρώμα, η διακεκομμένη καμπύλη (- - -) παρουσιάζει το εποχιακό θερμοκλινές, σε ακραία καλοκαιρινή συνθήκη, επίσης παρουσιάζεται μόνο στο ομογενές στρώμα. 3. Η βαθιά ζώνη. Είναι το υδάτινο στρώμα κάτω από το θερμοκλινές. Παρουσιάζει αρκετά χαμηλές θερμοκρασίες (με τιμή κατά μέσο όρο μικρότερη των 4 C) και πολύ μικρή μεταβολή με το βάθος. Το στρώμα αυτό αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο μέρος (~75%) της υδάτινης μάζας των ωκεανών. Σε ημίκλειστες θαλάσσιες λεκάνες που τα ψυχρά πολικά νερά δεν μπορούν να εισέλθουν σε αυτές, τα βαθιά νερά έχουν υψηλότερες τιμές θερμοκρασίας από ότι στους ανοιχτούς ωκεανούς. Τέτοια περίπτωση συναντάται στη Μεσόγειο Θάλασσα, όπου το Στενό του Γιβραλτάρ με βάθος μικρότερο των 400 m εμποδίζει την είσοδο νερού πολικής προέλευσης. Στις βαθιές ωκεάνιες τάφρους, και σε βάθη κάτω των 3000 έως 4000 m, οι θερμοκρασίες αυξάνονται (με αργούς ρυθμούς) ως αποτέλεσμα της αύξησης της πίεσης. Υπολογισμός της κλίσης του θερμοκλινούς: Σχηματικά η ζώνη του θερμοκλινούς, θεωρώντας μια τυχαία καμπύλη μεταβολής θερμοκρασίας με το βάθος δίνεται στην εικόνα 4. Παρατηρούμε ότι η καμπύλη παρουσιάζει πολύ μικρή κλίση σε όλες τις υπόλοιπες περιοχές βάθους στη στήλη πλην της διαγραμμισμένης περιοχής. Η ζώνη αυτή, σύμφωνα και με τον ορισμό που δόθηκε πιο πάνω είναι το θερμοκλινές της υδάτινης στήλης. Στην περίπτωση αυτή επομένως αναπτύσσεται στη στήλη του νερού θερμοκλινές που εκτείνεται από το βάθος Ζ1 έως το βάθος Ζ2 (Ζ2>Ζ1) (Εικόνα 4). Η μεταβολή της θερμοκρασίας στη ζώνη του θερμοκλινούς θα είναι ίση με Τ2-Τ1 (Τ2>Τ1). Επομένως η κλίση της καμπύλης στη ζώνη του θερμοκλινούς είναι: ΔΤ/ΔΖ = (Τ2-Τ1)/(Ζ2-Ζ1) ο C/m Θερμοκρασία - Σελ. 6

7 Εικόνα 4. Ζώνη θερμοκλινούς 4. ΑΝΑΔΥΣΗ ΚΑΙ ΠΑΡΑΚΤΙΑ ΚΛΙΜΑΤΑ Εικόνα 5. (α) Ένα υδάτινο σώμα μπορεί να θεωρηθεί ως ένα σύνολο από πλάκες, η πρώτη στην κορυφή οδηγείται από τον άνεμο και κάθε μία από τις υπόλοιπες υποκείμενες πλάκες βρίσκονται σε κίνηση λόγω τριβής. Κάθε διαδοχικό επίπεδο κινείται με μικρότερη ταχύτητα και κατευθύνεται σε ελικοειδή κίνηση - περισσότερο προς τα δεξιά στο Βόρειο Ημισφαίριο έως ότου η τριβή να γίνει αμελητέα. (β) Αν και η διεύθυνση της κάθε κίνησης ποικίλει σε κάθε στρώμα, η μέση ή η καθαρή ροή του νερού είναι 90 ο δεξιά της επικρατέστερης δύναμης ανέμου. Άλλη μία επίδραση των επιφανειακών θερμοκρασιών, στα παράκτια νερά των ανατολικών πλευρών των ωκεάνιων λεκανών, είναι η ανάδυση, ή η άνοδος ψυχρότερων υδάτινων στρωμάτων Θερμοκρασία - Σελ. 7

8 από κατώτερα βάθη. Είναι γνωστό ότι, το φαινόμενο Coriolis προκαλεί στο νερό που έχει τεθεί σε κίνηση από τους ανέμους ή άλλες δυνάμεις να εκτραπεί προς τα δεξιά στο Βόρειο Ημισφαίριο και προς τα αριστερά στο Νότιο Ημισφαίριο. Το επιφανειακό στρώμα, λόγω της τριβής, εκτρέπεται σε γωνία 45 ο ως προς τη διεύθυνση του ανέμου. Το νερό στα διαδοχικά βάθη κινείται με αυξητικά μεγαλύτερη γωνία, προς τα δεξιά (ή αριστερά) έως ότου σε κάποιο βάθος να κινείται με διεύθυνση αντίθετη από αυτή του ανέμου (Εικόνα 5). Εν τω μεταξύ, η ταχύτητα μειώνεται με το βάθος λόγω της ελικοειδούς κίνησης έως το βάθος των 100 περίπου μέτρων. Η περιστροφική αυτή κίνηση ονομάζεται σπιράλ Ekman. Ως συνέπεια αυτής της ελικοειδούς κίνησης, η τελική μετακίνηση του νερού είναι 90 ο στα δεξιά της κίνησης του ανέμου στο Βόρειο Ημισφαίριο (και 90 ο στα αριστερά της κίνησης του ανέμου στο Νότιο Ημισφαίριο). Εικόνα 6. Διαγράμματα διαφόρων ειδών ανάδυσης. (α) Ανάδυση μέσω μεταφοράς Ekman ή φαινομένου Coriolis. Στο βόρειο Ημισφαίριο η καθαρή μετακίνηση του νερού είναι 90 ο δεξιά της κατεύθυνσης του ανέμου, και στο νότιο Ημισφαίριο είναι 90 ο αριστερά της κατεύθυνσης του ανέμου. Ο περικυκλωμένος σταυρός υποδεικνύει ότι η διεύθυνση του ανέμου είναι μακριά από τον παρατηρητή. (β) Ανάδυση οδηγούμενη από τον άνεμο. Από την ακτή οι άνεμοι θα απομακρύνουν το νερό από την ήπειρο και το νερό αυτό θα πρέπει να αντικατασταθεί από το αναδυόμενο νερό. (γ) Ανοιχτού ωκεανού φαινόμενο Coriolis ανάδυση στον ισημερινό. Η παρακινούμενη από τον άνεμο απόκλιση κοντά στον ισημερινό θα μεταφέρει το νερό στα δεξιά βόρεια του ισημερινού και στα αριστερά νότιά του, προκαλώντας έτσι ανάδυση στον ισημερινό. Οι περικυκλωμένες τελείες υποδεικνύουν ότι η διεύθυνση των αληγών ανέμων είναι προς τον παρατηρητή. (δ) Ανάδυση παρεμπόδισης. Ένα ρεύμα κινούμενο περνώντας από ένα ακρωτήρι ή κάποιο άλλο φράγμα θα απομακρύνει το νερό από το εμπόδιο και η ανάδυση θα πραγματοποιηθεί. Αυτό είναι ένα σχεδιάγραμμα ενός ακρωτηρίου ή σημείου. (ε) Ανάδυση οδηγούμενη από την πυκνότητα. Κατά τη θερμοαλατική κυκλοφορία, το πυκνότερο υδάτινο στρώμα κατέρχεται και το αντικαθιστά ένα λιγότερο πυκνό. Το λιγότερο πυκνό στρώμα νερού αναδύεται όπως παρουσιάζεται σε αυτό το παράδειγμα από τον Νότιο Ατλαντικό Ωκεανό. Το AABW (Antarctic Bottom Water) πλέει προς τον πυθμένα της Ανταρκτικής, το AAIW (Antarctic Intermediate Water) προς το ενδιάμεσο υδάτινο Θερμοκρασία - Σελ. 8

9 στρώμα, το NADW (North Atlantic Deep Water) στο βαθύ υδάτινο στρώμα του Βόρειου Ατλαντικού, και το NABW (North Atlantic Bottom Water) στο υδάτινο στρώμα του πυθμένα του Νότιου Ατλαντικού. Το NADW και το NABW αναδύονται στην Ανταρκτική. Αυτό σημαίνει ότι π.χ. στα νερά της Χίου οι άνεμοι που πνέουν από το νότο κατά μήκος της ακτής οδηγούν τα επιφανειακά νερά δεξιά ή μακριά από την ακτή, και το νερό αυτό αντικαθίσταται από το ψυχρότερο και πλούσιο σε θρεπτικά νερό των 100 μέτρων βάθους. Μπορεί να εντοπιστεί μέσω των μετρήσεων της θερμοκρασίας, διότι παράγει ψυχρότερο παράκτιο νερό και οι ισόθερμες καμπύλες παραμορφώνονται προς τα πάνω και προς την ακτή. Τα κυριότερα είδη ανάδυσης φαίνονται στην εικόνα 6. Να σημειωθεί ότι η ανάδυση μπορεί να προκληθεί όχι μόνο λόγω των ανέμων, αλλά και από την παγίδευση του νερού από τα παράκτια ρεύματα καθώς περνούν από εμπόδια ή ακρωτήρια, και λόγω των διαφορών της πυκνότητας. Η αντίθετη διεργασία ονομάζεται καταβύθιση (ή κατάδυση) και φαίνεται από τις μετρήσεις της θερμοκρασίας με συμπίεση ή παραμόρφωση των ισοθέρμων καμπυλών προς την ακτογραμμή. 5. ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΩΝ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΩΝ ΤΟΥ ΩΚΕΑΝΟΥ Με την πάροδο των ετών υπήρξε ραγδαία εξέλιξη αναφορικά με τη μεθοδολογία και την ακρίβεια των εργαλείων που χρησιμοποιούνται στη μέτρηση των τεχνικών χαρακτηριστικών του νερού. Από τη δεκαετία του 60 και έπειτα καθιερώθηκε η χρήση ενός από τα πιο σημαντικά, του πολυαισθητήρα, CTD (Conductivity-Temperature-Depth). Αυτή η συσκευή μετρά άμεσα και έμμεσα, σημαντικά χαρακτηριστικά του υδάτινου στοιχείου όπως είναι η θερμοκρασία, η αλατότητα, η πίεση, το βάθος αλλά και η πυκνότητα. Το CTD χρησιμοποιείται για τη μέτρηση αβιοτικών παραμέτρων τη στιγμή της δειγματοληψίας. Οι ερευνητές έχουν τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσουν δύο διαφορετικούς τύπους CTD. Χρησιμοποιώντας τον απλό τύπο, το όργανο βυθίζεται μέσα στο νερό ή κρατιέται σταθερό σε μια συγκεκριμένη θέση, καταγράφονται συνεχώς μετρήσεις αγωγιμότητας, θερμοκρασίας και πίεσης (Εικόνα 7 αριστερά), ενώ χρησιμοποιώντας το CTD τύπου rosette, υπάρχει η δυνατότητα συλλογής δειγμάτων νερού, καθώς περιμετρικά του οργάνου υπάρχουν τοποθετημένες φιάλες Niskin (Εικόνα 7 δεξιά), οι οποίες βυθίζονται ανοιχτές και μόλις φθάσουν στο επιθυμητό βάθος κλείνουν ηλεκτρονικά παγιδεύοντας στο εσωτερικό τους δείγμα νερού από το αντίστοιχο βάθος. Με τη μέτρηση της αγωγιμότητας, δηλαδή το πόσο εύκολα το ηλεκτρικό ρεύμα περνάει διαμέσου του δείγματος του νερού που εξετάζεται, είναι εύκολος ο υπολογισμός της αλατότητας, και αυτό είναι εφικτό επειδή το ηλεκτρικό ρεύμα περνά ευκολότερα μέσω του νερού με υψηλότερη αλατότητα. Θερμοκρασία - Σελ. 9

10 Εικόνα 7. Αριστερά: Καταγραφικό όργανο CTD. Δεξιά: CTD τύπου rosette, με ενσωματωμένες φιάλες δειγματοληψίας νερού. Για τη μέτρηση της θερμοκρασίας ο συγκεκριμένος τύπος πολυαισθητήρα χρησιμοποιεί συνήθως μια θερμική αντίσταση, η οποία αποτελείται από λεπτά τμήματα λευκόχρυσου και έχει την ιδιότητα να αλλάζει την τιμή της, καθώς αλλάζει η θερμοκρασία, ενώ η ακρίβεια των μετρήσεων είναι της τάξης των ο C. Τέλος αναφορικά με τη μέτρηση της πίεσης το CTD χρησιμοποιεί ένα όργανο ελέγχου της πίεσης βάση του οποίου η ακρίβεια των μετρήσεων είναι περίπου 1%. Οι προαναφερθείσες μετρήσεις καταγράφονται σε ψηφιακή μορφή. Μπορούν είτε να αποθηκευτούν στο CTD και έπειτα να μεταφερθούν σε έναν Η/Υ μετά το τέλος της δειγματοληψίας είτε η μεταφορά τους στον υπολογιστή να πραγματοποιείται συνεχώς μέσω καλωδίου κατά τη διάρκεια αυτής. Σημαντικό επίσης είναι και το γεγονός ότι σε έναν πολυαισθητήρα CTD μπορούν να τοποθετηθούν και άλλοι αισθητήρες έτσι ώστε να μπορούν να μετρηθούν και παράμετροι όπως είναι το διαλυμένο οξυγόνο, το ph καθώς επίσης και η θολερότητα. 6. ΟΡΙΣΜΟΙ Θερμοκλινές. Η διαβάθμιση της θερμοκρασίας ή η γρήγορη πτώση της θερμοκρασίας με το βάθος στην στήλη του νερού, καθώς και το στρώμα μέσα στο οποίο πραγματοποιείται αυτή η διαβάθμιση. Το μόνιμο θερμοκλινές στους ωκεανούς επιτυγχάνεται ανάμεσα στα επίπεδα των 200 και 1000 μέτρων, και διαχωρίζει ένα σχεδόν ομοιόμορφα θερμό ανώτερο στρώμα από τα πολύ ψυχρά πυκνά υδάτινα στρώματα του πυθμένα. Φαινόμενο Coriolis. Μία εμφανής δύναμη που επιδρά στα κινούμενα μόρια και οφείλεται στην περιστροφική κίνηση της γης. Αναγκάζει τα κινούμενα σώματα να εκτραπούν δεξιά στο Βόρειο Ημισφαίριο και αριστερά στο Νότιο Ημισφαίριο. Η δύναμη είναι ανάλογη της ταχύτητας και του γεωγραφικού πλάτους Θερμοκρασία - Σελ. 10

11 του κινούμενου αντικειμένου. Είναι μηδενική στον ισημερινό και στους πόλους παρουσιάζει την μέγιστη τιμή της. Ελικοειδής κίνηση (σπιράλ) Ekman. Μία θεωρητική αναπαράσταση του φαινομένου της σταθερής πνοής του ανέμου πάνω από έναν ωκεανό: το επιφανειακό στρώμα του νερού κινείται με γωνία 45 ο δεξιά, της διεύθυνσης πνοής του ανέμου, στο Βόρειο Ημισφαίριο. Το νερό σε διαδοχικά βάθη κινείται σε διευθύνσεις όλο και περισσότερο προς τα δεξιά, ώσπου σε ορισμένο βάθος κινείται με διεύθυνση αντίθετη από αυτή του ανέμου. Η ταχύτητα του νερού μειώνεται με το βάθος λόγω της ελικοειδούς κίνησης. Η καθαρή μεταφορά νερού είναι 90ο δεξιά στο Βόρειο Ημισφαίριο, και ακριβώς το αντίθετο στο Νότιο Ημισφαίριο. Καταγραφικό όργανο CTD. Μία ηλεκτρονική συσκευή για την ταυτόχρονη μέτρηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας (C), της θερμοκρασίας (T) και του βάθους (D). Από την αγωγιμότητα είναι δυνατός ο προσδιορισμός της αλατότητας, ως εκ τούτου η συσκευή μετρά αλατότητα, θερμοκρασία και βάθος νερού. Πυκνότητα. Ορίζεται ως η μάζα ανά μονάδα όγκου της ύλης. Στο μετρικό σύστημα, οι μονάδες υγρών είναι γραμμάρια ανά κυβικό εκατοστό (gr/cm 3 ). Μόνο για τους σκοπούς της σύγκρισης, η πυκνότητα του θαλασσινού νερού θεωρείται 1,025 γραμμάρια ανά κυβικό εκατοστό, ενώ για το γλυκό νερό είναι 1,000. Καταβύθιση (κατάδυση). Η προς τα κάτω κίνηση του επιφανειακού νερού. Προκαλείται από την μεταφορά Ekman προς την ακτή, από συγκλίνοντα ρεύματα ή όταν η υδάτινη μάζα γίνεται πιο πυκνή από το νερό του περιβάλλοντός της. Ανάδυση. Η διαδικασία μέσω της οποίας ένα υδάτινο στρώμα ανέρχεται από ένα μεγαλύτερο σε ένα μικρότερο βάθος, συνήθως ως αποτέλεσμα της ροής του νερού από την ακτή προς το πέλαγος. Η ανάδυση είναι πιο έντονη, όπου ο συνεχής άνεμος πνέει παράλληλα στην ακτογραμμή, έτσι ώστε η προκύπτουσα μεταφορά Ekman κινεί το επιφανειακό νερό μακριά από την ακτή. Ισόθερμη καμπύλη. Μία γραμμή που ενώνει τα σημεία με την ίδια θερμοκρασία, είτε για την επιφάνεια της θάλασσας ή για συγκεκριμένα βάθη. Επιφανειακό ή ανάμικτο στρώμα. Η ζώνη θερμοκρασίας του νερού πάνω από το θερμοκλινές, όπου οι άνεμοι και τα ρεύματα αναμιγνύουν το επιφανειακό νερό και μεταφέρουν θερμότητα προς τα κάτω. Θερμοκρασία - Σελ. 11

12 ΑΣΚΗΣΗ 3: Η ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΤΟΥ ΘΑΛΑΣΣΙΝΟΥ ΝΕΡΟΥ ONOMA: ΑΡ. ΜΗΤΡΩΟΥ: ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ: (α) Με βάση το παγκόσμιο χάρτη κατανομής των επιφανειακών θερμοκρασιών (Σχήμα 1), δώστε μια σύντομη περιγραφή της κατανομής της θερμοκρασίας, (β) Γιατί στην βόρειο Αμερική (Καναδά) τα νερά κατά μήκος των ακτών του Ατλαντικού Ωκεανού είναι πιο ψυχρά από εκείνα που βρίσκονται στο ίδιο γεωγραφικό πλάτος στην πλευρά όμως του Ειρηνικού Ωκεανού; Σχήμα 1. Μέση ετήσια κατανομή της επιφανειακής θερμοκρασίας των ωκεανών (γ) Ο χάρτης του σχήματος 2 παρουσιάζει την κατανομή των θερμοκρασιών της επιφανείας στις σπουδαιότερες ωκεάνιες λεκάνες για το μήνα Αύγουστο. Πόσο θα διέφερε η καμπύλη βάθουςθερμοκρασίας των Αρκτικών περιοχών από μία μέσου γεωγραφικού πλάτους ή μία των περιοχών του ισημερινού; Εξηγήστε την απάντησή σας. Θερμοκρασία - Σελ. 12

13 Σχήμα 2. Η κατανομή των επιφανειακών θερμοκρασιών του ωκεανού (σε βαθμούς Celsius) για το μήνα Αύγουστο. 2. Δίνονται οι παρακάτω (υποθετικές) καμπύλες μεταβολής της θερμοκρασίας του θαλασσινού νερού με το βάθος (Σχήμα 3). Εντοπίστε τις θερμοκλινικές ζώνες και δώστε προσεγγιστικά το πάχος κάθε ζώνης και το βάθος (εύρος βάθους) στο οποίο παρατηρείται. Επίσης, διακρίνετε τον αριθμό των υδάτινων στρωμάτων (θεωρώντας ότι η πυκνότητα τους καθορίζεται κυρίως από τη θερμοκρασία). Σχήμα 3. Υποθετικές καμπύλες μεταβολής της θερμοκρασίας του θαλασσινού νερού με το βάθος 3. Στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 4) δίνεται η μεταβολή της θερμοκρασίας με το βάθος μιας θαλάσσιας περιοχής μέσου γεωγραφικού πλάτους. Ζητείται: (α) Να αποφανθείται ποιά εποχή του χρόνου έγινε η μέτρηση αυτή (χειμώνα καλοκαίρι). (β) Να βρεθεί αν υπάρχει ζώνη θερμοκλινούς και να αναγνωριστεί τόσο σε βάθος (Δz) όσο και σε βαθμίδα θερμοκρασίας (ΔΤ). Θερμοκρασία - Σελ. 13

14 Σχήμα 4. Μεταβολή της θερμοκρασίας με το βάθος μιας θαλάσσιας περιοχής μέσου γεωγραφικού πλάτους. 4. Το σχήμα 5 αντιπροσωπεύει ένα σύνολο από επιφανειακές θερμοκρασίες που μετρήθηκαν ως μέρος του προγράμματος Organization of Persistent Upwelling Structures (OPUS). Η έρευνα επικεντρώθηκε στην περιοχή της εντεινόμενης ανάδυσης ανάμεσα στο Point Conception και στο Point Arguello, στην Καλιφόρνια. Οι επιφανειακές θερμοκρασίες καταγράφηκαν στο βάθος των 2 μέτρων με την χρήση ενός CTD. (α) Να σχεδιαστούν οι ισόθερμες καμπύλες της επιφανειακής θερμοκρασίας με ισοδιάσταση 0,5 ο C. Προτείνεται, να ξεκινήσετε την σχεδίαση των ισόθερμων καμπυλών ξεκινώντας πρώτα από αυτές με ένα βαθμό ισοδιάσταση και μετά αυτές του μισού βαθμού με παρεμβολή. (β) Να εξηγηθεί το μοντέλο θερμοκρασίας που βρέθηκε στην περιοχή. 5. Το σχήμα 6 είναι η τομή της θερμοκρασίας στο Point Conception που πραγματοποιήθηκε από μία κατακόρυφη ρίψη χρησιμοποιώντας το καταγραφικό όργανο CTD. Να σχεδιαστεί το προφίλ των ισόθερμων καμπυλών ξεκινώντας από τη θερμοκρασία των 8 ο C και αυξάνοντας χρησιμοποιώντας την ισοδιάσταση των 0,5 ο C. (α) Ποια μεταβολή υποδεικνύεται από το μορφή των ισόθερμων καμπυλών στα ρηχότερα βάθη; (β) Κρίνοντας από την τάση των ισόθερμων καμπυλών, ποια φαίνεται να είναι η κίνηση του βαθύτερου στρώματος νερού; Θερμοκρασία - Σελ. 14

15 Σχήμα 5. Υπόδειγμα επιφανειακής θερμοκρασίας του Point Conception στην Καλιφόρνια, Απριλίου Θερμοκρασία - Σελ. 15

16 Εικόνα 6. Χαρακτηριστικό κατακόρυφο προφίλ θερμοκρασίας του Point Conception. Θερμοκρασία - Σελ. 16