Eργαστηριακό Μάθημα Θαλάσσια Βιολογία Ασκηση 1 η. Επεξεργασία υδρολογικών δεδομένων Δρ. Αικ. Σιακαβάρα ΕΔΙΠ τμ. Βιολογίας
ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ- ΤΕΜPERATURE -Εκφράζεται σε βαθμούς 0 C. -Mέση θερμοκρασία ανοικτών θαλασσών -2 C - +30 C -Eλληνικές θάλασσες +12 C - 25 C -Παράκτιες περιοχές ως και 28 C -30 C -Η θερμότητα που απορροφάται διασπείρεται λόγω υψηλής θερμικής αγωγιμότητας και ανάμιξης του νερού. -Ο λόγος για τον οποίο η ανώτερη θερμοκρασία της επιφάνειας δεν ξεπερνάει τους 30 C είναι ότι το ήμισυ τουλάχιστον της θερμικής ενέργειας χρησιμοποιείται για εξάτμιση μάλλον, παρά για την αύξηση της θερμοκρασίας. svs.gsfc.nasa.gov/3652
1888 - five year average from 1886 through 1890. 1948 - five year average from 1946 through 1950. 2008 - five year average from 2004 through 2008. 1918 -five year average from 1916 through 1920. 1978 - five year average from 1976 through 1980. Οι ωκεανοί αποθηκεύουν περισσότερη θερμότητα στα πρώτα 3 μέτρα της επιφάνειας απ ότι ολόκληρη η ατμόσφαιρα.
ΠΙΕΣΗ-PRESSURE Η πίεση είναι συνάρτηση του βάθους, της πυκνότητας και της επιτάχυνσης της βαρύτητας Μονάδες που χρησιμοποιούνται είναι το dyne /cm 2 1 bar= 10 6 dynes, ισοδυναμεί με 1 atm (0.96784 atm) 1 bar= 1000 millibars (χρησιμοποιείται στην μετεωρολογία) Στην ωκεανογραφία χρησιμοποιείται το decibar (100000 dyn/cm 2, =1/10bar) που αντιστοιχεί σε διαφορά βάθους στη θάλασσα ίση προς 1m, δεδομένης της πυκνότητας του θαλασσινού νερού. Άρα για κάθε 10 μέτρα βάθος η πίεση αυξάνει κατά μία ατμόσφαιρα περίπου. H κανονική ατμοσφαιρική πίεση στην επιφάνεια της θάλασσας είναι 1013.25 mbar (atmospheric pressure in the sea surface) http://www.classroomatsea.net/jc010/features/diving.html
ΑΛΑΤΟΤΗΤΑ -SALINITY H αλατότητα είναι το ολικό ποσό των στερεών υλικών που περιέχονται σε 1000 gr θαλασσινού νερού. Xρησιμοποιείται επίσης η μονάδα PSU (Practical Salinity Unit), που βασίζεται στις ιδιότητες ηλεκτρικής αγωγιμότητας του νερού. Ισοδυναμεί με ppt ή g/kg. Σύμφωνα με την UNESCO Practical Salinity Scale of 1978, PSS78, η αλατότητα S επειδή είναι λόγος δεν έχει διαστάσεις. CTD http://www.salinityremotes ensing.ifremer.fr/seasurface-salinity/definitionand-units Aquarius satellite NASA measures sea-surface salinity SMOS satellite -ESA ARGO profile float
Παράγοντες που επηρεάζουν την Αλατότητα - Είσοδος γλυκού νερού (π.χ. ποταμοί, πάγος που λιώνει) μειώνει την αλατότητα - Εξάτμιση αυξάνει την αλατότητα στα επιφανειακά νερά - Βροχοπτώσεις μειώνουν την αλατότητα To 86% της παγκόσμιας εξάτμισης και το 78% των παγκόσμιων βροχοπτώσεων συμβαίνει πάνω από τους ωκεανούς svs.gsfc.nasa.gov/3652
ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ-DENSITY Η πυκνότητα μάζας θαλασσινού νερού ρ είναι συνάρτηση της αλατότητας S, της θερμοκρασίας Τ και της πίεσης P (στο σημείο δειγματοληψίας) Η πυκνότητα νερού είναι ιδιαίτερα σημαντική παράμετρος διότι καθορίζει το βάθος εξισορρόπησης της υδάτινης μάζας στη στήλη νερού και τον χαρακτηρισμό των τύπων του νερού. Η πυκνότητα νερού εκφράζεται σε kg/m3 και στον ανοικτό ωκεανό κυμαίνεται μεταξύ 1021-1070 kg/m3 (σε βάθος 10.000 μ). Επειδή η πυκνότητα στη θάλασσα εμφανίζει πολύ μικρή διακύμανση χρησιμοποιούμε τα 4 τελευταία δεκαδικά ψηφία της πυκνότητας: Επομένως, αντί να λέμε η πυκνότητα του νερού είναι 1,02542, λέμε ότι το νερό έχει σ = 25,42. (σ TSP = (ρ TSP -1)*1000) Εφόσον το σ εξαρτάται από Τ,S,P, (σ TSP ) τότε το σ ST0 εκφράζει P=0 ( η ολική πίεση ισούται με την ατμοσφαιρική) και είναι ο συντελεστής σ t. Aν σε ένα δείγμα αναχθεί η θερμοκρασία του στους 0 ο C τότε το σ S00 συνδέεται με τη σχέση σ t= σ 0 - D Η σχέση μεταξύ της θερμοκρασίας (T), της αλατότητας (S), και της πυκνότητας (σ t ) είναι μη-γραμμική. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούμε πίνακες ή πολυωνυμικές εκφράσεις.
σ t= σ 0 - D Δείγμα θαλασσινού νερού έχει θερμοκρασία 17.8 C και αλατότητα 37.3. Να υπολογιστεί το σ t. 1. Υπολογίζουμε την τιμή σ 0 από τον Πίνακα 1, χρησιμοποιώντας την τιμή της αλατότητας. Για S = 37.3 το σ 0 = 30.0
2. Υπολογίζουμε το D από τον Πίνακα 2 συναρτήσει του σ 0 και της θερμοκρασίας. Για σ 0 = 30.0 και T = 17.8 C το D = 2.90 3. Υπολογίζουμε το σ t από τη σχέση σ t= σ 0 - D σ t = 30.0 2.90 = 27.10 Υπολογισμός του D από τον πίνακα 2 -Για τιμές θερμοκρασίας από -2 ως 10 0 C το D δίνεται απ ευθείας από τον πίνακα. - Για τιμές θερμοκρασίας που δεν δίνονται αναλυτικά π.χ. για θερμοκρασία 17,8 0 C τότε υπολογίζουμε το (D 20 -D 15 )/5, που για σ 0 =30 (από τον πίνακα 2) είναι (3,45-2,22)/5=0,246. Άρα για το εύρος θερμοκρασίας από 15 ως 20 0 C η βαθμίδα α=0,246, οπότε το D για τη θερμοκρασία των 17,8 0 C υπολογίζεται ως D 15 +2*α+8/10*α =2,90
ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ T -S -D Εικόνα 1. Διάγραμμα Θερμοκρασίας Αλατότητας Πυκνότητας (T-S-D). Οι τιμές της πυκνότητας (g/cm 3 ) αντιπροσωπεύονται στο διάγραμμα από τις διαγώνιες καμπύλες. Τα διαγράμματα T S αποτελούν εργαλεία χαρακτηρισμού του τύπου των νερών ορισμένης περιοχής. Ο όρος τύπος νερού αναφέρεται σε συγκεκριμένες θαλάσσιες μάζες που έχουν ταυτοποιηθεί. Ονομάζουμε δε τύπο νερού έναν σημαντικό όγκο ύδατος ομοιογενούς θερμοκρασίας και αλατότητας που απεικονίζεται σε ένα T S διάγραμμα δι ενός μοναδικού σημείου. Στην πραγματικότητα δεχόμαστε και σαν τύπο ύδατος μάζα νερού της οποίας τα χαρακτηριστικά T S κυμαίνονται ελάχιστα και παραμένουν μέσα σε ορθογώνιο πλαίσιο διαστάσεων ΔS * ΔT
ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ-DENSITY ΑΛΑΤΟΤΗΤΑ -SALINITY https://svs.gsfc.nasa.gov/3652
Η διακύμανση της πυκνότητας των θαλασσών οφείλεται κυρίως σε αλλαγές της αλατότητας και της θερμοκρασίας. Most of the variability in seawater density is due to changes in salinity and temperature. https://www.sciencelearn.org.nz/resources/687-ocean-density https://media5.picsearch.com/is?gblo5x19rk-worzxshbxqtpq-ivv6hgsopyuww-fkgu&height=228 Οι μεταβολές πυκνότητας προκαλούν μετακινήσεις θαλασσίων μαζών και κατά συνέπεια η πυκνότητα του θαλασσινού νερού σαν παράμετρος είναι άμεσα συνδεδεμένη με ορισμένους μηχανισμούς κυκλοφορίας θαλασσίων μαζών.
Σε εποχές με έντονη ανάμιξη του νερού η διαβάθμιση της αλατότητας είναι κανονικότερη. Όταν η θάλασσα είναι ήρεμη σχηματίζονται στρώματα νερού τα οποία τοποθετούνται έτσι ώστε τα πυκνότερα (βαρύτερα) να βρίσκονται βαθύτερα. Όταν η θάλασσα είναι ήρεμη εμφανίζονται αλοκλινή. Είναι δυνατόν η διαβάθμιση της αλατότητας να σχηματίζει την ίδια, τελείως διαφορετική εικόνα, ή με δευτερεύουσες στρωματοποιήσεις μέσα στα θερμοκρασιακά στρώματα. Θερμοκλινές: Ζώνη σε ένα στρώμα νερού όπου παρατηρείται απότομη διαβάθμιση της θερμοκρασίας σε σχέση με το βάθος Πυκνοκλινές: Ζώνη σε ένα στρώμα νερού όπου παρατηρείται απότομη διαβάθμιση της πυκνότητας σε σχέση με το βάθος Αλοκλινές:Ζώνη σε ένα στρώμα νερού όπου παρατηρείται απότομη διαβάθμιση της αλατότητας σε σχέση με το βάθος Thermocline is a layer within a body of water where the temperature changes rapidly with depth. Pycnocline is a layer where there is a rapid change in water density with depth. Halocline is a vertical salinity gradient.
Βάθος Depth ΣΤΑΘΕΡΟΤΗΤΑ ΤΗΣ ΣΤΗΛΗΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ -Ο ρυθμός μεταβολής της πυκνότητας με το βάθος καθορίζει και την σταθερότητα της στήλης του νερού. -Αν συμβεί μια μικρή αλλαγή στα χαρακτηριστικά του π.χ. πτώση της θερμοκρασίας της ατμόσφαιρας θα αλλάξει η πυκνότητά του και θα τείνει να βυθιστεί, χάνοντας την ισορροπία του. -Αν μια μάζα νερού συγκεκριμένης πυκνότητας μετακινηθεί προς τα επάνω ή προς τα κάτω θα βρεθεί σε στρώματα διαφορετικής πυκνότητας και ανάλογα θα συμπεριφερθεί μέχρι να ξαναβρεί την ισορροπία του. Σ>0 Σ=0 Σ<0 Για βάθη μικρότερα των 1000m η σταθερότητα μπορεί να οριστεί ως: Σ= (1/ρ)*(dρ/dz), όπου ρ=πυκνότητα και dρ/dz=μεταβολή της πυκνότητας σε σχέση με το βάθος Εφόσον σ=(ρ-1) *1000, τότε ρ=σ*10-3 +1 και αν ο λόγος 1/ρ=1 τότε με τις κατάλληλες πράξεις βρίσκουμε : Σ=10-3 * (σ t2 -s t1 )/(z 2 -z 1 ) Για Σ<0 : το υπερκείμενο στρώμα έχει την τάση καταβύθισης Σ=0 : κατάσταση ισορροπίας των στρωμάτων Σ>0 : ισορροπία υπερκείμενων στα υποκείμενα σ Σ>0 σ Σ=0 σ Σ<0 z Τάση ισορροπίας- Σταθερή στρωματοποίηση z Ουδέτερη σταθερότητα z Ασταθής στρωματοποίηση
ΘΕΡΜΟΑΛΗ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ thermohaline_conveyor https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/pmc3682741/
OΞΥΓΟΝΟ -To οξυγόνο εισέρχεται στους ωκεανούς από την ατμόσφαιρα και παράγεται επίσης από τη φωτοσύνθεση στην ευφωτική ζώνη. - Καταναλώνεται μέσω της αναπνοής από τους οργανισμούς - Στη ζώνη μίξης η ισορροπία με την ατμόσφαιρα δίνει σχεδόν 100% κορεσμό. - Στα βαθύτερα στρώματα η αναπνοή των οργανισμών κυρίως των βακτηρίων- ευθύνεται για την ελάττωση του οξυγόνου - Το οξυγόνο χρησιμοποιείται επίσης από τα νιτροποιητικά βακτήρια για την μετατροπή της αμμωνίας σε νιτρικά ftp://ftp.nodc.noaa.gov/pub/woa05f/oxygen/pdf/o_0_0_1.pdf
ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΝΑΦΟΡΑ 1. ΠΕΙΡΑΜΑ - ΑΣΚΗΣΗ Mέτρηση Αλατότητας- Οξυγόνου -Χρησιμοποιείστε το Αλατόμετρο για την μέτρηση της Αλατότητας, και το Οξυγονόμετρο για τη μέτρηση της συγκέντρωση του Οξυγόνου, τον κορεσμό σε οξυγόνο και την Θερμοκρασία. Συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα με τις τιμές που θα βρείτε: Αλατότητα Συγκέντρωση Οξυγόνου Κορεσμός σε οξυγονο Θερμοκρασία Δείγμα γλυκού νερού (βρύσης) Θαλασσινό νερό Μίγμα από την ανάμιξη των παραπάνω σε αναλογία όγκου 1:1 Αναλύστε τα συμπεράσματά σας
2. ΑΣΚΗΣΗ Α)Η αλατότητα δείγματος νερού με θερμοκρασία 20 ο C και πυκνότητα 1.024 g/cm 3 είναι... Β) Γνωρίζουμε τον τρόπο με τον οποίο επιδρούν οι μεταβολές της θερμοκρασίας στην πυκνότητα, όταν η αλατότητα παραμένει σταθερή, και οι μεταβολές της αλατότητας στην πυκνότητα, όταν η θερμοκρασία παραμένει σταθερή. Το συνηθέστερο όμως φαινόμενο είναι οι τιμές και των δυο παραμέτρων να ποικίλουν. Για παράδειγμα, τι παρατηρείται όταν το νερό που εξέρχεται από τη Μεσόγειο Θάλασσα συναντά τον Ατλαντικό Ωκεανό; Η αλατότητα του νερού στη Μεσόγειο Θάλασσα προσεγγίζει την τιμή 39 psu, λόγω υπερβολικής εξάτμισης, ενώ του Ατλαντικού, κοντά στα Στενά του Γιβραλτάρ, είναι περίπου 36 psu. Τους θερινούς μήνες οι θερμοκρασίες του νερού της Μεσογείου είναι κατά μέσο όρο 18 ο C ενώ του Ατλαντικού περίπου 20 ο C, στην περιοχή που συναντά τη Μεσόγειο Θάλασσα. Πώς θα συμπεριφερθούν αυτές οι δυο θάλασσες στην περιοχή συνάντησής τους;
3. ΑΣΚΗΣΗ Αναφέρετε τι αναμένεται να συμβεί όταν ένας κρύος ποταμός από την Αλάσκα εκχύνεται στην Bering Sea. Υποθέστε ότι το ποτάμι έχει θερμοκρασία 4 ο C και η Bering Sea 9 o C. Επιπλέον, η αλατότητα της Bering Sea είναι 33. Ποια θα είναι η πυκνότητα του ποταμού;...g/cm 3 Τι πρέπει να υποθέσετε για την αλατότητα του ποταμού προκειμένου να υπολογίσετε την πυκνότητά του; Ποια θα είναι η πυκνότητα της Bering Sea σε αυτό το σημείο;...g/cm 3 Πώς θα συμπεριφερθούν αυτές οι δυο μάζες νερού όταν συναντηθούν;
4. ΑΣΚΗΣΗ Τ 0 C S D πυκν. ΒΑΘΗ Α 2,5 35 Β 20 33 Γ 18 37,5 Δ 10 34,45 Ε 5 35,3 Εικόνα 1. Διάγραμμα Θερμοκρασίας Αλατότητας Πυκνότητας (T-S-D). Οι τιμές της πυκνότητας (g/cm 3 ) αντιπροσωπεύονται στο διάγραμμα από τις διαγώνιες καμπύλες. ΒΑΘΗ: 1000, 250, 50, 2000, 500 m ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ T -S -D Yπολογίστε την πυκνότητα από το διάγραμμα για τα σημεία Α, Β,Γ,Δ,Ε. Συνδυάστε τις τιμές πυκνότητας με τα παρακάτω βάθη (40, 200, 500, 1000 και 2000 m) έτσι ώστε η στήλη του νερού να βρίσκεται σε ισορροπία.
Βάθος 5. ΑΣΚΗΣΗ Σας δίνονται οι τιμές θερμοκρασίας και αλατότητας ανά 1 m σε Σταθμό βάθους 30 m (Πίνακας). Να φτιάξετε το Διάγραμμα Θερμοκρασίας Βάθους και να υπολογίσετε σε τρία σημεία της στήλης του νερού τη σταθερότητα, όπου εσείς κρίνετε ότι πρέπει. Δικαιολογείστε την επιλογή των σημείων και εξηγείστε τα αποτελέσματα. Θερμοκρασία
ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ Ημερομηνία Τίτλος ΥΛΗ 7/2/2019 Ανάλυση υδρολογικών δεδομένων ΑΣΚΗΣΗ 1η (από τις σημειώσεις) και Παρουσίαση εισηγητή 14/2/2019 Φυτοπλαγκτόν-Ζωοπλαγκτόν Παρουσίαση εισηγητή Ιχθυοπλαγκτό 21/2/2019 Παρουσίαση εισηγητή Θαλάσσια Θηλαστικά 28/2/2019 Παρουσίαση εισηγητή Περιβαλλοντική Ηθική 7/3/2019 Παρουσίαση εισηγητή Περιβαλλοντική Ηθική 14/3/2019 Παρουσίαση εισηγητή 28/3/2019 ΕΝΥΔΡΕΙΟ (μετακίνηση) 4/4/2019 Θαλάσσια Γεωλογία Επίσκεψη στο Ερευνητικό Σκάφος ΦΙΛΙΑ του ΕΛΚΕΘΕ (μετακίνηση) 11/4/2019 Παρουσίαση εισηγητή 18/4/2019 Θαλάσσια μακροφύκη και φανερόγαμα Παρουσίαση εισηγητή 11/5/2019 ΔΕΙΓΜΑΤΟΛΗΨΙΑ πεδίου (μετακίνηση) 16/5/2019 Βένθος ΑΣΚΗΣΗ 4η (από τις σημειώσεις) και Παρουσίαση εισηγητή Δρ. Κ. Σιακαβάρα (ΕΔΙΠ) Γραφείο Γ221Α (2 ο επίπεδο) E-mail: a.siakavara@uoc.gr Off. tel. +30 2810 394463 Mobile: +30 6932442179