VPLIV OCEANOV NA KLIMO

Transcript

1 VPLIV OCEANOV NA KLIMO

2 ATMOSFERA Opis vodne pare Termodinamična enačba Gibalna enačba Sevanje Evaporacija Toplota Površinsko trenje Padavine Prenos sevanja Enačba slanosti Opis ledu Termodinamična enačba Gibalne enačbe OCEAN

3 Enačbe oceanov Gibalne enačbe. Enačbi za horizontalni hitrost sta: Namesto celotne enačbe za vertikalno hitrost vzamemo kar hidrostatično aproksimacijo. Hidrostatična aproksimacija v atmosferi ne velja dobro predvsem pri majhnih pojavih. Oceani so vertikalno bolj stabilni in vertikalni pospeški so majhni. Zato je ta aproksimacija upravičena. Kontinuitetno enačbo poenostavimo. Stisljivost vode je zelo majhna, zato lahko zapišemo: y x f u f y p v v t v f v f x p u v t u + = = + ) ( 1 ) ( ) ( 1 ) ( 0 0 ϕ ρ ϕ ρ r r g z p = ρ = z w y v x u

4 Enačbo stanja je potrebno dobiti iz eksperimentalnih podatkov: ρ v = ρ ( T, v p, S) = ρ 1 v0 (1 ) 2 A + p Bp + Cp Parametri A,B,C so funkcije temperature in slanosti(s). Enačbo lahko lineariziramo: ρ ρ = a ρ T T ) + γρ ( S a 0 in γ eksperimentalno določena parametra, ρ v0 pa gostota vode pri standardnih pogojih. Potrebujemo še energijsko enačbo: v v0 0 v0 ( 0 v0 S0 dq / m dt = c T p dt + β dp + ρ µ kemijski potencial slane vode. ) µ ds S Enačba za spremembe slanosti: ds dt r = j sol r kjer je j = Sv r ρ tok soli. sol v Teh 7 enačb popolnoma opisuje dogajanje v oceanu.

5 OSNOVNE ZNAČILNOSTI velika masa velika toplotna kapaciteta (70 x večja od atmosfere, 152 x od kopnega) visoka povprečna temperatura (5.7 C) za 22.7 C višja od atmosfere

6 Značilnosti oceanov 361 milijonov kv. kilometov (71% površine Zemlje) oceanska topografija: median globine dna: 4km median višine kopnega: 1.4 km Marianas Trench m Everest: 8 848m Sestava oceanov: 96.5% vode ostalo raztopljene soli in delci

7 Meritve v oceanih

8 Meritve v oceanih Gliderji Profilerji Boje Plavači

9 Boja v Piranskem zalivu

10 Glavne spremenljivke gostota narašča z globino temperatura z globino pada, sezonske variacije do termokline slanost 35 g anorganskih snovi na 1 kg 3.5% raztopina slanost površinskih voda 3.484% povprečna slanost celotne oceanske vode 3.471%

11

12 Nižja gostota zaradi absorbcije sončnega sevanja na površini. Gostota Potentcialna gostota je gostota, ki bi jo imela morska voda z določeno S in T pri zračnem pritisku (oz. pri pritisku vode 0) Potencialna gostota = gostota 1000 kg/m 3

13 Zveza med slanostjo in gostoto Povprečna gostota morske vode na gladini je ~1027 kg/m³. Z višanjem temperature ρ pada, z večanjem slanosti pa raste. Gostoto oceanske vode redkokdaj merimo neposredno. Približen izračun gostote (ρ v kg/m³) morske vode: ρ = C(h) + β(h)s - α(t,h) - γ(t,h)(35 - S)T slanost S v, T v o C in globina h v km. Korekcijski faktorji v enačbi so: C = 999,83 + 5,053h - 0,048h 2 β = 0,808-0,0085h α = 0,708[1 + 0,351h + 0,068(1-0,0683h)T] γ = 0,003[1-0,059h - 0,012(1-0,064h)T] ρ = +1 kg m -3 če S = +1 ρ = +1 kg m -3 če p = +10 barov ρ = +1 kg m -3 če T = -5 C

14 Povprečna letna temperatura vode na površju

15 Temperatura oceanov na površini

16 Temperaturno polje oceana po vertikali razdelimo na 4 plasti: Zgornja premešana plast: V tropih in polarnih predelih je debela nekaj sto metrov, v zmernih širinah je poleti med m ter pozimi prav tako okoli 100 metrov. Plast diskontinuitete, sezonska termoklina plast: Debela je nekaj 10 metrov. Temperatura pade za nekaj stopinj Glavna termoklina plast: Spodnji rob ima pri približno 1500 m, temperatura v tej plasti počasi pada. Spodaj doseže od 2.7 C do 3.5 C. Globoka plast: Temperatura počasi pada z globino in doseže do 1 C.

17 Temperaturni profil

18 Vertikalna strus truktura a oceano ceana Premešana plast: T in S premešana (veter) Temperatura Thermoklina: gradienta T in S sta velika Slanost globoki ocean: T and S neodvisna od globine hladen slan bogat s hranili

19 Masna bilanca soli Celotna masa oceana 1,4 x10 21 kg Povprečna globalna slanost 34,7 psu (razpon 32 do 37 psu) Celotna masa raztopljenih soli 4.8 x10 19 kg Letni input soli v oceane 3 x10 12 kg/leto Morska sol se torej zamenja na ~16 miljonov let (geološka časovna skala) Za klimatološko skalo (npr let) je celotna masa soli praktično konstantna Razmerje soli (Cl -, SO 4-2, Na +, K +, itd.) je tudi zelo stalno, zadostuje, če za določanje slanosti merimo le en ion [Cl - ]

20 Slanost oceanov na površini

21 E > P E < P Slanost Topljenje in nastanek morskega led Masa raztopjenih soli na 1 kg morske vode Enota : Povprečna slanost svetovnih morij je dejavniki odločajo o slanosti: evaporacija, padavine, dotoki rek, in nastanek ter taljenje morskega ledu.

22 Globalna slanost in vodna bilanca

23 Tržaški zaliv Velika temperaturna (od 7 do 27 C) in slanostna nihanja. Najnižje so T februarja, nato se do aprila T dviga z izmenjavo toplejše južne vode. Aprila se začne segrevanje in razslojevanje vodnega stolpca vse do avgusta, ko se prične voda na površini ohlajati in v oktobru - novembru doseže izotermijo. Največja razlika med T maks in T min je maj-junij ( 8,5 C). Piranski zaliv horizontalno po temperaturi dokaj homogen. Povprečne mesečne T min so 8,1 C na gladini in okrog 7,5 C na dnu, T max pa okrog 16,4 C na gladini in okrog 15,8 C na dnu. Letni hod slanosti ima 2 minimuma.višje S januar, februar po celem vodnem stolpcu, najnižje maj - julij ter september - oktober v površinskem sloju. Slanosti zunanjih postaj so podobne notranjim. Nihanja S izrazitejša v površinskem sloju (29,5-38 psu), pri dnu (36 do 38 psu).

24 Mesečne temperature in slanost na gladini na zunanjih postajah obalnega morja Slovenije.

25 Mesečne temperature in slanost na gladini na notranjih postajah obalnega morja Slovenije.

26 Sezonski morski led Pomembna vloga Slanost ledu ~2 do 5 psu Vir arktične in antarktične globokomorske vode

27 ENERGIJSKA BILANCA OCEANOV Rn o =LE o +A o +Adv o + S o Rn o LE o A o Adv o S o neto sevanje latentna toplota (izhlapevanje) zaznavna toplota horizontalna advekcija toplote (morski tokovi) vskladiščena toplota (v letnem povprečju =0)

28 Povp. letne vrednosti čl. EB oceanov (Wm -2 ) Geog. širina Rn o LE o A o Adv o N S Skupno

29 MASNA BILANCA OCEANOV RR o + RD o =E o + R o RR o RD o E o R o padavinska voda rečni dotoki evaporacija sprememba volumna (v letnem povprečju =0)

30 Atmosfera nad kopnim 4.5 Advekcija 36 Oceanska Atmosfera 11 Evapo. Transpir. 7.1 Padavine 107 Evapo. 434 Padavine 398 Kopno led in sneg površina 360 pod zemljo organizmi Reke 36 Oceani Premešana plast thermoklina Globina Zaloge kg tokovi kg leto -1

31 Povp. letne vrednosti členov vodne bilance oceanov (v mm) Ocean Padavine Rečni Izhlapevanje RR o + RD o -E o dotoki Atlantski Indijski Tihi Svetovno povprečje Neuravnovešenost vodne bilance oceana pomeni izmenjavo vode z drugimi oceani

32 DINAMIKA (MORSKI TOKOVI) Vzroki Na površini: vetrovi (stalni vetrovi-pasatni, lokalni) razlike v gostoti vode (slanosti)=termohalina cirkulacija Razlike glede na smer (pogojena s smerjo vetra, rotacijo Zemlje, topografijo dna, razporeditvijo kopnega) hitrost fizikalno-kemijske lastnosti vode stalnost Delitev horizontalne/vertikalne tokove hladne/tople površinske/globinske

33 Gibanja v oceanih lahko razdelimo glede na prostorsko (časovno) skalo: 1. gibanja na malih skalah vertikalno gibanje zaradi turbolence vertikalna mikrogibanja zvočni valovi površinski kapilarni valovi površinski gravitacijski valovi 2. gibanja srednjih skal notranji gravitacijski valovi notranje fluktuacije plimovanje 3. gibanja na velikih skalah sinoptični procesi (fronte, cikloni, anticikloni, Rossbyevi valovi) sezonske fluktuacije (monsumi) kvazi-stacionarni tokovi termohalini tokovi (vertikalni)

34 proces tipične horizontalne dimenzije trajanje hitrost (m/s) lobokomorska cirkulacija 10,000 km 30 let 1.1 x 10-2 conveyor circulation El ninjo 1,000 km 3 leta 1.1 x 10-2 upwelling, vrtinci 10 km 30 dni 3.9 x 10-3 turbulentna difuzija 100 m 1 dan 1.2 x 10-3 Turbulentno mešanje 1.0 m 2 uri 1.4 x 10-4 disipacija 0.1 m 15 minut 1.1 x 10-4

35 Morski tokovi na površini

36 6 velikih površinskih tokovnih kroženj na oceanih 5 je geostrofskih girov: Severnopacifiški Južnopacifiški Severnoatlantski Južnoatlantski Indijskooceanski 6-ti je največji tok: Antarktični cirkumpolarni tok (West Wind Drift)

37 Ekmanov transport Veter povzroča trenje Gibanje vode je podvrženo Coriolisovi sili Voda se premika (odklanja) na severni hemisferi na desno glede na veter - Ekmanov transport Če gre Ekmanov transport proč od obale, se površinske vode odmikajo od obale. Nadomesti jih voda iz globine upwelling Vertikalni transport je odvisen od topografije kontinetalnih obal topografsko pogojenih vetrov

38 Korak 1: 1 Veter na morski površini

39 Vetrovi in površinski tokovi rame.htm Polarna celica Ferrel celica Hadley celica

40 Korak 2: 2 Ekmanova plast

41 Ekmanova spirala Zgornja plast 1 ravnovesje sila vetra, trenje in Coriolisova sila Plast 2 vleče naprej plast 1 & nazaj plast 3 Itd.

42

43 Divergenca in konvergenca Raztekanje povzroča dvig morske vode Stekanje pa spuščanje

44 Ekman Pumping

45 Ekmanov transport in kroženje v girih

46 Termohalina cirkulacija oceanov

47 Prenos toplote z ekvatorja proti polom 47

48 Termohalina cirkulacija

49 2 procesa povečujeta slanost blizu polov Izhlapevanje: Zelo mrzle, suhe zime povečajo izhlapevanje iz relativno toplega oceana poveča se slanost Nastanek morskega ledu: ko nastaja led, soli ostajajo v oceanu povečanje slanosti

50 Tipična hitrost tokov na dnu : km/uro. Antarktična voda pri dnu potrebuje let, da pripotuje v S Atlantik in Pacifik

51

52 Dve regiji, kjer nastaja globinska voda Antarktika globokomorska voda Slanost = Temperatura = -0.5 C gostota = g/cm 3 Weddellovo morje Povezano z nastankom ledu pozimi S Atlantska globokomorska voda zaradi zimskega ohlajanja in izhlapevanja

53 Ansambelske simulacije atlantske THC (Knutti et al., 2003)

54 Zmanjševanje atlantske THC Ansambelske simulacije z kompleksnimi modeli: negotovost IGBP Synthesis (2003)

55 Dolgoročne spremembe THC Ansambelske simulacije s preprostimi modeli: možnost zaustavitve THC IGBP Synthesis (2003)

56 Termohalina cirkulacija in njena variabilnost Dansgaard-Oeschger dogodki Povečana termohalina cirkulacija Heinrich dogodki Zmanjšana termohalina cirkulacija

57 KEMIJSKI IN BIOLOŠKI POMEN Morska voda vsebuje biogene elemente, je vir in ponor CO 2 ph v alkalnem območju med 7.5 in 8.4 (pada z globino) ogljikove spojine raztopljen kisik silicijeve spojine dušik fosfor 29.2 mg C/liter 5.5 mg O 2 /liter 2.1 mg Si/liter 0.5 mg N/liter 0.1 mg P/liter

58 Oceanska biogeokemija Svetloba odoloča o fotosintezi CO 2 je vedno blizu nasičenja Zaloga hranil je lahko problematična Dviganje morske vode (upwelling) je bistveno za morske ekosisteme svetloba hranila Morski Ekosistemi Fiksiran ogljik

59 Primarna produkcija organske snovi v oceanih grami / m 2 na leto (satelit)

60 Klorofil povezava z površinskimi kroženji vode in Ekmanovim transportom Nizke koncentracije klorofila (modro) v središčih krožnih gibanj v subtropskih girih Vzrok: Ekmanovo stekanje in spuščanje vode (ni dotoka hranil)

61 CO 2 in oceani Delni tlak CO 2 v oceanu v površinski vodi na globini m ekvator Pa zmerne širine 32 Pa 76 do 79 Pa Arktika 32 Pa 59 Pa Antarktika 36 Pa

62 Skladiščenje CO 2 v oceane

63 Termohalina cirkulacija in njena variabilnost Heinrich-ovi dogodki običajno sledijo D-O dogodkom Zakaj?

64 Prenosi gibalne količine: vetrovno trenje globokomorski tokovi Ekmanov transport in upwelling Prenos topote: latentna topota zaznavna toplota Masni tok:» Padavine (znanjšanje slanosti)» Evaporacija (povečanje slanosti)