ΩΚΕΑΝΟΓΡΑΦΙΑ Δ ΕΞΑΜΗΝΟ

Transcript

1 ΩΚΕΑΝΟΓΡΑΦΙΑ Δ ΕΞΑΜΗΝΟ Τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά του νερού Μέρος 2 ο : Φυσική

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Θερμοκρασία 2. Πυκνότητα 3. Διάδοση του φωτός στο νερό 4. Διάδοση του ήχου στο νερό

3 Μια από τις πιο σημαντικές φυσικές παραμέτρους του θαλάσσιου νερού Οι παράγοντες που ρυθμίζουν τη θερμοκρασία είναι: Ηλιακή ακτινοβολία (γεωγραφικό πλάτος) Μετεωρολογικές συνθήκες (ατμοσφαιρική κυκλοφορία) Ωκεάνια κυκλοφορία (θαλάσσια ρεύματα) Απορροές από την ξηρά (ποτάμια, υποθαλάσσιες πηγές)

4 Επιφανειακή κατανομή θερμοκρασιών Θερμοκρασιακή ζώνωση σε σχέση με το γεωγραφικό πλάτος Συνήθεις θερμοκρασίες από -2 ο C (στους πόλους) έως +28 ο C (στον Ισημερινό)

5 Επιφανειακή κατανομή θερμοκρασιών Αποκλίσεις: Στα χαμηλά και μεσαία γεωγραφικά πλάτη (< 40 ο ) η ανατολική πλευρά των ηπείρων είναι θερμότερη Στα υψηλά γεωγραφικά πλάτη (> 40 ο ) η δυτική πλευρά των ηπείρων είναι θερμότερη Ο Βόρειος Ατλαντικός είναι θερμότερος από τον Νότιο Ατλαντικό

6 Επιφανειακή κατανομή θερμοκρασιών

18 Κατανομή των θερμοκρασιακών ανωμαλιών Θερμοκρασιακή ανωμαλία είναι η απόκλιση από τον μέσο όρο πολλών ετών Συνήθεις θερμοκρασιακές ανωμαλίες δεν ξεπερνούν τους 1,5 ο C Οι μεγαλύτερες αποκλίσεις παρατηρούνται στην εύκρατη ζώνη (~3 ο C)

19 Κατανομή των θερμοκρασιακών ανωμαλιών

31 Κατακόρυφη κατανομή

32 Τα στρώματα των ωκεανών: Επιφανειακό Κατακόρυφη κατανομή Αναμεμειγμένο, μεγάλες θερμοκρασιακές μεταβολές στον χρόνο, πάχος m Ενδιάμεσο (θερμοκλινές) Βαθύ Μερικώς αναμεμειγμένο, απότομες αλλαγές της θερμοκρασίας κατά βάθος, πάχος έως 1000 m Στους ωκεανούς οι εποχιακές διακυμανσεις της θερμοκρασίας είναι μικρές (μόνιμο θερμοκλινές), ενώ στις κλειστές και αβαθείς θάλασσες οι εποχιακές διακυμανσεις της θερμοκρασίας είναι μεγάλες (εποχιακό θερμοκλινές) Κατώτερο, ψυχρό, ελάχιστες διακυμανσεις, περιλαμβάνει ~80% των υδάτινων μαζών

33 Κατακόρυφη κατανομή Ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος: Υπό-Τροπική ζώνη (χαμηλά γεωγραφικά πλάτη) Μεγάλο θερμοκρασιακό εύρος του θερμοκλινούς, μόνιμος χαρακτήρας Εύκρατη ζώνη (ενδιάμεσα γεωγραφικά πλάτη) Μικρότερο θερμοκρασιακό εύρος του θερμοκλινούς, εποχιακός χαρακτήρας, ασαφή όρια Υπό-Πολική ζώνη (υψηλά γεωγραφικά πλάτη) Απουσία θερμοκλινούς (!!!), θερμοκρασιακή αναστροφή λόγω λέιώσιμου των πάγων και ψυχρών κατακρημνησμάτων

34 Κατακόρυφη κατανομή Διακύμανση του εποχιακού θερμοκλινούς

35 Κατακόρυφη κατανομή Δυνητική θερμοκρασία (θ) Σε αρκετά μεγάλα βάθη νερού (> 3500 m) η πίεση επηρεάζει την θερμοκρασία Δυνητική ονομάζεται η θερμοκρασία του νερού όταν εξαλειφθεί η επίδραση της πίεσης

36 Τα στρώματα του Αιγαίου: Επιφανειακό Κατανομή στο Αιγαίο Κυμαίνεται από 14 ο C (τον χειμώνα) έως o C (το καλοκαίρι), πάχος λίγες δεκάδες μέτρα Ενδιάμεσο (θερμοκλινές) Παρουσιάζεται ένα εποχιακό θερμοκλινές με μεγάλο θερμοκρασιακό εύρος, το χειμώνα απουσιάζει, βάθος μέχρι 250 m Βαθύ Κατώτερο, σχετικά ψυχρό με τιμές που κυμαίνονται από οc (σχετικά αυξημένες σε σχέση με αυτές των ωκεανών που είναι από 4 ο C έως 8 o C

37 1.2. Όργανα μέτρησης Όργανα σημειακής μέτρησης Αναστρεφόµενα υδραργυρικά θερµόµετρα Αφού βυθίζονταν στο θεµιτό βάθος, τα θερµόµετρα αναστρέφονταν. Η αναστροφή διέκοπτε τη στήλη του υδραργύρου, µε αποτέλεσµα να διατηρείται η ένδειξη στο σηµείο αναστροφής Ο συνδυασµός «προστατευµένων» και «απροστάτευτων» θερµόµετρων επέτρεπε τον υπολογισµό της πίεσης και άρα του βάθους µέτρησης. Αποτέλεσε τον κύριο τρόπο µέτρησης της θερµοκρασίας στη θάλασσα από το 1900 µέχρι τη δεκαετία του «προστατευµένο» θερµόµετρο «απροστάτευτο» θερµόµετρο

38 1.2. Όργανα μέτρησης Όργανα συνεχούς μέτρησης Μηχανικά θερμόμετρα Βαθυθερµογράφοι: Χρήση Απορριπτόµενοι βαθυθερµογράφοι (XBTs) Μιας χρήσεως

39 1.2. Όργανα μέτρησης Όργανα συνεχούς μέτρησης Ηλεκτρονικά θερμόμετρα Pt100 Αισθητήριο από πλατίνα που παρουσιάζει αντίσταση 100Ω στους 25 ο C Δεν χρειάζεται βαθμονόμηση Ακρίβεια: 0,05 0 C Thermistors Ηµιαγωγός που η ηλεκτρική του αντίσταση µεταβάλλεται γρήγορα, έντονα και µε γνωστό τρόπο ανάλογα µε τις µεταβολές της θερµοκρασίας. Σήµερα (από τη δεκαετία 1970 και μετά) η πλειοψηφία των ωκεανογραφικών οργάνων πεδίου χρησιµοποιούν thermistors για τη µέτρηση της θερµοκρασίας. Οι αισθητήρες είναι εγκλεισµένοι σε λεπτό ατσάλινο κύλινδρο για να προφυλαχθούν από την πίεση Απαραίτητη η συχνή βαθμονόμηση του οργάνου Τυπικές Προδιαγραφές: Χρόνος απόκρισης: ~0.6s, Ακρίβεια: ~ C, Σταθερότητα: ~ C yr -1

40 2. Πυκνότητα Υπενθύμιση Η στατιστική κατανομή των ελεύθερων (μεμονωμένων) μορίων και αυτών που σχηματίζουν εξαγωνικές αλυσίδες καθορίζει την πυκνότητα του νερού Μέγιστη πυκνότητα εμφανίζεται όταν σε μια μονάδα όγκου περιέχεται ο μεγαλύτερος αριθμός μορίων (η διάταξη των ελεύθερων μορίων και των εξαγωνικών αλυσίδων είναι η καταλληλότερη για να χωρέσουν όσο το δυνατό περισσότερα μόρια) Η μέγιστη πυκνότητα του νερού παρουσιάζεται στους 4 ο C Η πλήρης διευθέτηση των μορίων του νερού σε εξαγωνική διάταξη προσδίδει στο νερό τον μεγαλύτερο όγκο του. Η κατάσταση αυτή συμβαίνει όταν το νερό παγώνει (0 ο C) Αύξηση της αλατότητας αυξάνει την πυκνότητα του θαλασσινού νερού Στο θαλασσινό νερό η πυκνότητα μειώνεται διαρκώς με την αύξηση της θερμοκρασίας

41 2. Πυκνότητα 2.1. Γενικά Οι παράγοντες που επηρεάζουν την πυκνότητα του θαλασσινού νερού είναι: Θερμοκρασία Πυκνότητα Αλατότητα Πυκνότητα Πίεση Πυκνότητα Η θερμοκρασία έχει την μεγαλύτερη επίδραση στην πυκνότητα των επιφανειακών νερών

42 2. Πυκνότητα 2.2. Ορισμοί και συμβολισμοί Η πυκνότητα καθορίζεται ως μετρήσιμη παράμετρος από την Παγκόσμια Καταστατική Εξίσωση του Νερού (International Equation State) - IES80 H πυκνότητα συμβολίζεται με το ελληνικό γράμμα ρ και ακολουθούν σε παρένθεση η τιμές της Αλατότητας (S), Θερμοκρασίας (t) και πίεσης (p), δηλαδή: ρ(s,t,p) π.χ, όταν: ρ(s,t,p) = επί τόπου (in situ) πυκνότητα ρ(s,t,0) = πυκνότητα νερού στην επιφάνεια της θάλασσας ρ(35,t,0) = πυκνότητα επιφανειακού νερού με αλατότητα 35 psu (standard)

43 2. Πυκνότητα 2.2. Ορισμοί και συμβολισμοί Η πυκνότητα κυμαίνεται από 1026,00 kg/m 3 έως 1027,90 kg/m 3 Χάριν απλουστεύσεως χρησιμοποιούνται μόνο τα δύο τελευταία ψηφία πριν και μετά την υποδιαστολή και η τιμή αυτή ονομάζεται διεθνώς σίγμα (σ), δηλαδή: σ = ρ(s,t,p) kg/m 3 Στην περίπτωση που μετρούνται ή συγκρίνονται επιφανειακά νερά, μπορεί να αγνοηθεί η πίεση και έτσι να χρησιμοποιείται η παράμετρος σίγμα-ταφ (σ t ), δηλαδή: σ t = ρ(s,t,0) kg/m 3

44 2. Πυκνότητα 2.2. Ορισμοί και συμβολισμοί Στην μελέτη των βαθιών θαλάσσιων νερών η πίεση δεν μπορεί να αγνοηθεί για αυτό πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η Δυνητική Πυκνότητα: Δυνητική Πυκνότητα είναι η πυκνότητα συγκεκριμένης μάζας νερού που θα αποκτήσει όταν η μάζα αυτή ανέβει αδιαβατικά στην επιφάνεια Ωστόσο, επειδή οι μεταβολές της πίεσης επηρεάζουν την θερμοκρασία του νερού μπορεί να χρησιμοποιηθεί η δυνητική θερμοκρασία στον υπολογισμό της Δυνητικής Πυκνότητας η οποία αντιπροσωπεύεται από την παράμετρο σίγμα-θήτα (σ θ ), δηλαδή: σ θ = σ(s,θ,0) = ρ(s,θ,0) kg/m 3

45 2. Πυκνότητα 2.2. Ορισμοί και συμβολισμοί σ θ = σ(s,θ,0) = ρ(s,θ,0) kg/m 3

46 2. Πυκνότητα 2.3. Επιφανειακή κατανομή Η θερμοκρασία είναι ο σημαντικότερος παράγοντας που επηρεάζει την πυκνότητα των επιφανειακών νερών

47 2. Πυκνότητα 2.4. Κατακόρυφη κατανομή Η πίεση γίνεται αισθητή στον καθορισμό της πυκνότητας σε αρκετά μεγάλα βάθη (> m) Διακρίνονται τρία υδάτινα στρώματα με διαφορετική πυκνότητα: Επιφανειακό χαμηλή πυκνότητα, ευμετάβλητες τιμές, μέσο πάχος ~100 m, ποσοστό επί του παγκόσμιου ωκεανού ~2% Ενδιάμεσο (πυκνοκλινές) ραγδαία μεταβολή της πυκνότητας με το βάθος, σχετικά σταθερές τιμές, μέγιστο βάθος ~1000 m, ποσοστό επί του παγκόσμιου ωκεανού ~18% Βαθύ υψηλή πυκνότητα, σχεδόν αμετάβλητες τιμές, ποσοστό επί του παγκόσμιου ωκεανού ~20%

48 2. Πυκνότητα 2.5. Θαλάσσιες μάζες Θαλάσσια μάζα θεωρείται ένας όγκος νερού με καθορισμένα όρια θερμοκρασίας και αλατότητας, που έχει κοινή περιοχή προέλευσης και τόπο σχηματισμού Αν μια θαλάσσια μάζα παρουσιάζει πολλή μικρές διακυμάνσεις στην θερμοκρασία και την αλατότητα ονομάζεται Τύπος Νερού Η γραφική απεικόνιση των τιμών μιας θαλάσσιας μάζας γίνεται στο νομόγραμμα της κατανομή του συντελεστή σ t ή σ θ με την θερμοκρασία και την αλατότητα

49 2. Πυκνότητα 2.5. Όργανα μέτρησης Αισθητήρας μηχανικής συµπίεσης Εύρος: 20/100/350/1000/2000/3500/7000 m Ακρίβεια: 0,1% εύρους Σταθερότητα:~ 0,004% ανά µήνα Εναλλακτικά: αισθητήρες κρυστάλλου χαλαζία (quartz crystal) Ακρίβεια: 0,015 % εύρους Ανάλυση: 0,001% εύρους Βαθµονόµηση: Με χρήση πρότυπων βαρών

50 3. Διάδοση φωτός στο νερό 3.1. Εξασθένιση του φωτός στη θάλασσα όπου: Η ένταση μιας φωτεινής δέσμης (Ι) ελαττώνεται εκθετικά με την αύξηση της απόστασης x από την φωτεινή πηγή Ι ο, η αρχική ένταση Ι = Ι ο e -cx c, συντελεστής εξασθένησης της φωτεινής δέσμης c = a + b a, απορρόφηση (a w + a p + a y ) a w, μορίων νερού a p, αιωρημένων ιζημάτων a y, κίτρινων ουσιών b, σκέδαση (b w + b p ) b w, μορίων νερού b p, αιωρημένων ιζημάτων

51 3. Διάδοση φωτός στο νερό 3.1. Εξασθένιση του φωτός στη θάλασσα

52 3. Διάδοση φωτός στο νερό 3.2. Το χρώμα της θάλασσας Το χρώμα της θάλασσας είναι συνάρτηση της ανάκλασης του φωτός στην επιφάνειά της και της αναδυόμενης φωτεινής ακτινοβολίας από τα βάθη της

53 3. Διάδοση φωτός στο νερό 3.3. Όργανα μέτρησης Με φωτοαισθητήριο, υπό γωνία ως προς τη διεύθυνση διάδοσης της φωτεινής δέσμης Με απλή βύθιση του δίσκου Secci

54 3. Διάδοση φωτός στο νερό 3.4. Εφαρμογές Π.χ. κατανομή χλωροφύλλης από δορυφορική εικόνα

55 4. Διάδοση ήχου στο νερό 4.1. Κατακόρυφη κατανομή Διακρίνονται τρεις ζώνες: Επιφανειακή υψηλής ταχύτητας Ενδιάμεση χαμηλής ταχύτητας (SOFAR, Sound Fixing Ranging) Βαθιά υψηλής ταχύτητας

56 4. Διάδοση ήχου στο νερό 4.2. Εφαρμογές Βυθόμετρα Ηχοβολιστές πλευρικής σάρωσης Τομογράφοι ιζημάτων