9 th Symposium on Oceanography & Fisheries, 2009 - Proceedings, Volume Ι ΥΠΕΡΕΤΗΣΙΑ ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΤΗΤΑ ΤΩΝ ΒΑΘΙΩΝ ΣΤΡΩΜΑΤΩΝ ΣΤΟ ΒΟΡΕΙΟ ΑΙΓΑΙΟ Ζερβάκης Β. 1, Κρασακοπούλου Ε. 2, Τράγου Ε. 1, Κοντογιάννης Χ. 2, Κιόρογλου Σ. 2 1 Τμήμα Επιστημών της Θάλασσας, Πανεπιστήμιο Αιγαίου, zervakis@marine.aegean.gr 2 Ινστιτούτο Ωκεανογραφίας, Ελληνικό Κέντρο Θαλάσσιων Ερευνών, ekras@ath.hcmr.gr Περίληψη Η μεταβλητότητα των χαρακτηριστικών των βαθιών λεκανών του Βορείου Αιγαίου από το 1993 έως το 2008 παρατίθεται και αναλύεται. Η δημιουργία του φαινομένου Eastern Mediterranean Transient συνοδεύτηκε από την αποθήκευση πολύ υψηλής πυκνότητας νερών, πλούσιων σε οξυγόνο, στις βαθιές λεκάνες της περιοχής. Αυτά τα νερά σταδιακά έχασαν πλευστότητα και οξυγόνο μέσω κατακόρυφης τυρβώδους διάχυσης, διεργασίας που παρουσιάζεται να έχει διαφορετική ένταση σε κάθε λεκάνη. Τα υδρογραφικά δεδομένα πεδίου υποδηλούν ότι επεισόδια δημιουργίας περιορισμένων ποσοτήτων βαθιού νερού έλαβαν χώρα το 2001 και το 2005, ενώ ένα πιο έντονο φαινόμενο έλαβε χώρα το 2008. Δεδομένα ανταλλαγής πλευστότητας στην επιφάνεια γενικά συμφωνούν με τις παρατηρήσεις αυτές. Η δημιουργία ποσοτήτων πυκνού νερού στο Βόρειο Αιγαίο μετά το 2000 ενδέχεται να έχει επιταχύνει το θερμόαλο ιμάντα στο εσωτερικό της θάλασσας αυτής, με πιθανές επιπτώσεις στη Μεσογειακή κυκλοφορία. Λέξεις κλειδιά: βαθιές λεκάνες, θερμόαλη κυκλοοφορία, δημιουργία πυκνού νερού. INTERANNUAL VARIABILITY OF THE DEEP LAYERS IN THE NORTH AEGEAN Zervakis V. 1, Krasakopoulou E. 2, Tragou E. 1, Kontoyiannis H. 2, Kioroglou S. 2 1 Dpt of Marine Sciences, University of the Aegean, zervakis@marine.aegean.gr 2 Institute of Oceanography, Hellenic Centre for Marine Research, ekras@ath.hcmr.gr Abstract The variability of the North Aegean deep-basin water characteristics from 1993 until 2008 is examined. The Eastern Mediterranean Transient event was accompanied by the storage of very high density, oxygen-rich waters in the deep basins of the region. These waters progressively lost buoyancy and oxygen through vertical turbulent diffusion, a process of varying intensity among basins. Hydrographic data suggest that such episodes of limited deep-water formation took place in 2001 and 2005, while a more intense phenomenon took place in 2008. Observations of buoyancy flux through the air-sea interface agree with the above assessment. Dense water formation after 2000 in the North Aegean may have accelerated the thermohaline belt within this sea, with potential effects on the Mediterranean circulation. Keywords: deep basins, thermohaline circulation, deep-water formation. 1. Εισαγωγή Το ανάγλυφο της τοπογραφίας του Βορείου Αιγαίου χαρακτηρίζεται από μια αλληλουχία βαθιών λεκανών (με βάθη από 800 έως 1500 μέτρα) που χωρίζονται μεταξύ τους από εκτεταμένες υφαλοκρηπίδες, όπως αυτές της Θράκης, της Λέσβου και των Κυκλάδων. Τα υβώματα των υφαλοκρηπίδων επιτρέπουν την ελεύθερη οριζόντια επικοινωνία των λεκανών σε βάθη μέχρι 400 μέτρα περίπου, και έτσι τα βαθύτερα στρώματα παραμένουν αποκλεισμένα σε κάθε υπολεκάνη. Οι υπολεκάνες αυτές (όπως οι υπολεκάνες της Τάφρου του Βορείου Αιγαίου Άθω και Βορείων Σποράδων, της Λήμνου, καθώς και αυτές της Βόρειας Σκύρου και σε μικρότερο βαθμό οι λεκάνες Βόρειας και Νότιας Χίου) εξαρτώνται για την ανανέωση και τον εμπλουτισμό σε οξυγόνο των βαθιών υδάτων τους κυρίως από τη δημιουργία πυκνών νερών. Βιβλιογραφικά υπάρχουν καταγεγραμμένες δύο περίοδοι δημιουργίας πυκνών νερών στην περιοχή, οι χειμώνες του 1987 και των 1992-1993 (Zervakis et al., 2000). Τα επεισόδια αυτά δημιουργίας πυκνού νερού στο Βόρειο Αιγαίο θεωρείται ότι συνέβαλαν ουσιαστικά στη μεταβολή της θερμόαλης κυκλοφορίας της Ανατολικής Μεσογείου που κατεγράφη στις αρχές της δεκαετίας του 1990, το γνωστό Eastern Mediterranean Transient (Roether et al., 2007). -462-
9 ο Πανελλήνιο Συμπόσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 2009 - Πρακτικά, Τόμος Ι Τα επεισόδια δημιουργίας πυθμενικού νερού στο Βόρειο Αιγαίο είναι πολύ σποραδικά. Κατά το μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, τα βαθιά στρώματα της κάθε λεκάνης είναι πλήρως απομονωμένα από οποιαδήποτε οριζόντια μεταφορά, και η όποια αργή μεταβολή τους γίνεται μέσω της κατακόρυφης τυρβώδους ανάμειξης με το ενδιάμεσο στρώμα νερών Λεβαντινής προέλευσης (Zervakis et al., 2003). Οι Zervakis et al. (2003) σε μια πρώτη ανάλυση της μεταβλητότητας των βαθιών λεκανών σε τέτοιες περιόδους στασιμότητας, βασίστηκαν σε διαδοχικές χρονικά μετρήσεις στις βαθιές λεκάνες Λήμνου, Άθω και Βόρειας Σκύρου εκτεινόμενες χρονικά από το 1997 έως το 2000. Θεωρώντας ότι η μεταβολή της πυκνότητας στα βαθιά νερά οφειλόταν στη τυρβώδη ροή πυκνότητας στη διεπιφάνεια με το ενδιάμεσο στρώμα, υπολόγισαν συντελεστές τυρβώδους διάχυσης της τάξης του 10-4 έως 10-3 m 2 s -1. Αναγνωρίζοντας τη σπουδαιότητα της παρακολούθησης της εξέλιξης των υδρογραφικών χαρακτηριστικών των βαθιών λεκανών του Αιγαίου, το Ελ.Κε.Θ.Ε. ξεκίνησε περίπου από το 2000 την καταγραφή των χαρακτηριστικών τους σε κάθε δοθείσα ευκαιρία, συλλέγοντας δεδομένα αλατότητας, θερμοκρασίας, διαλυμένου οξυγόνου και θρεπτικών. Η παρούσα εργασία, βασιζόμενη σε δεδομένα συλλεχθέντα από το 2001 έως το 2008 αναφέρεται στην εξέλιξη των υδρογραφικών χαρακτηριστικών των βαθιών νερών της λεκάνης της Λήμνου. Επιλέξαμε να δείξουμε δεδομένα από τη Λήμνο λόγω του μικρού διαθέσιμου χώρου της εργασίας. Κατ αρχήν αναλύουμε μετεωρολογικά δεδομένα για τον εντοπισμό περιόδων έντονης απώλειας θερμότητας από τη θάλασσα στην ατμόσφαιρα. Για την εξέλιξη των υδρογραφικών χαρακτηριστικών υπολογίζουμε τις μέσες ολοκληρωμένες τιμές πυκνότητας για το ενδιάμεσο (100-300 μέτρα) και το βαθύ (400-1000) στρώμα της λεκάνης της Λήμνου, εντοπίζουμε φαινόμενα δημιουργίας πυκνών νερών και συγκρίνουμε με τα ευρήματα από τα μετεωρολογικά δεδομένα. Από την εξέλιξη της πυκνότητας στα βαθιά στρώματα κατά τις περιόδους στασιμότητας υπολογίζουμε συντελεστές ανάμειξης, και συγκρίνουμε με τη συχνότητα στρωμάτωσης στο συγκεκριμένο βάθος,. 2. Δεδομένα - Mεθοδολογία Τα δεδομένα που χρησιμοποιούνται στην παρούσα εργασία ελήφθησαν κατά τις σποραδικές επισκέψεις του Ω/Κ «Αιγαίο» στις περιοχές των βαθιών λεκανών στα πλαίσια διαφόρων ερευνητικών προγραμμάτων. Τα δεδομένα θερμοκρασίας και αλατότητας συναρτήσει πίεσης ελήφθησαν με δειγματολήπτη CTD Seabird Electronics 9/11+ και υπέστησαν την τυπική διαδικασία ελέγχου ποιότητας και πρωτογενούς ανάλυσης που συνιστάται από την κατασκευάστρια εταιρεία. Τα δείγματα νερού για μέτρηση διαλυμένου οξυγόνου ελήφθησαν από φιάλες Niskin, ο δε προσδιορισμός της συγκέντρωσης έγινε με τη μέθοδο Winkler (Carpenter, 1965). Για τον υπολογισμό της μέσης ολοκληρωμένης πυκνότητας για τις βαθιές λεκάνες έπρεπε να ληφθεί υπόψη η ποσότητα του νερού που αντιστοιχεί σε κάθε βάθος. Έτσι, για τον υπολογισμό της μέσης ολοκληρωμένης δυναμικής πυκνότητας των υδάτων μεταξύ των βαθών z 1 και z 2, χρησιμοποιήθηκε ο εξής ορισμός: (1), όπου Α(z) το οριζόντιο εμβαδόν της λεκάνης σε βάθος z και V(z 1,z 2 ) o όγκος της λεκάνης μεταξύ των βαθών z 1 και z 2 :. -463-
9 th Symposium on Oceanography & Fisheries, 2009 - Proceedings, Volume Ι Για τον υπολογισμό του συντελεστή τυρβώδους ανάμειξης K v σε βάθος z, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος των Zervakis et al. (2003), δηλαδή εξισορροπήθηκε η χρονική μεταβολή της μάζας νερού κάτω από ένα βάθος z από την κατακόρυφη τυρβώδη ροή μάζας στο βάθος z: (2) Από τα υδρογραφικά δεδομένα, επίσης υπολογίσθηκε η συχνότητα στρωμάτωσης συναρτήσει του βάθους: (3). Όσον αφορά τις ανταλλαγές θερμότητας θάλασσας και ατμόσφαιρας, εδώ παρουσιάζουμε μόνο τις τυρβώδεις συνιστώσες των θερμικών ροών, καθώς κυρίως αυτές καθορίζουν τις ανωμαλίες στην ανταλλαγή πλευστότητας (Josey, 2003). Ο υπολογισμός της λανθάνουσας και αισθητής θερμότητας έγινε με τον αλγόριθμο που περιγράφεται από τους Fairall et al (1996). Oι απαραίτητες μεταβλητές σχετική υγρασία, θερμοκρασία στην επιφάνεια του ωκεανού, θερμοκρασία του αέρα κοντά στην επιφάνεια της θάλασσας, πίεση επιφανείας και ταχύτητα του ανέμου εξήχθησαν για την περιοχή του Βόρειου Αιγαίου από τη βάση δεδομένων της NOAA-NCEP (δικτυακός τόπος http://www.cdc. noaa.gov/), στην οποία δίνονται μηνιαίες τιμές σε διακριτοποίηση 2 2. 3. Αποτελέσματα 3.1 ΕΠΕΙΣΟΔΙΑ ΑΝΑΝΕΩΣΗΣ ΒΑΘΙΩΝ ΣΤΡΩΜΑΤΩΝ Εικ. 1: Ανωμαλία της μέσης μηνιαίας ροής του αθροίσματος λανθάνουσας και αισθητής θερμότητας πάνω από το Βόρειο Αιγαίο για τις δεκαετίες του 1990 και 2000. Στην Εικόνα 1 φαίνονται οι ανωμαλίες των μέσων μηνιαίων θερμικών ροών πάνω από το Βόρειο Αιγαίο κατά την περίοδο από Ιανουάριο 1991 μέχρι το Σεπτέμβριο 2008. Είναι εντυπωσιακό ότι η απώλεια θερμότητας κατά τους χειμώνες 1992 και 1993 ήταν μεγαλύτερη των αμέσως επόμενων ετών (που καθόρισαν και την περίοδο στασιμότητας για τα βαθιά ύδατα του Βορείου Αιγαίου (Zervakis et al., 2003), αλλά από το χειμώνα 2000-2001 ακολουθούν μερικοί χειμώνες με πολύ έντονη απώλεια θερμότητας. Ξεχωρίζουμε τα ελάχιστα που παρατηρούνται τους Ιανουάριους- Φεβρουάριους των ετών 2001, 2003 και 2008, ως χειμώνες πολύ έντονης απώλειας θερμότητας από τη θάλασσα, που ευνοούν τη δημιουργία νέων πυκνών νερών στο Βόρειο Αιγαίο. Στην Εικόνα 2 φαίνεται η εξέλιξη των μέσων ολοκληρωμένων τιμών πυκνότητας και διαλυμένου οξυγόνου στα ενδιάμεσα και τα βαθιά νερά της λεκάνης της Λήμνου, από το 1986 έως και το 2008. Από την εξέλιξη της μέσης ολοκληρωμένης πυκνότητας καθώς και του μέσου ολοκληρωμέ- -464-
9 ο Πανελλήνιο Συμπόσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 2009 - Πρακτικά, Τόμος Ι Εικ. 2: Καταγραφείσα μεταβολή της μέσης ολοκληρωμένης πυκνότητας (πάνω) και της μέσης ολοκληρωμένης συγκέντρωσης διαλυμένου οξυγόνου (κάτω) στo βαθύ στρώμα (400-1000 m). νου οξυγόνου στα βαθιά νερά της λεκάνης της Λήμνου γίνεται σαφές ότι επεισόδια δημιουργίας πυκνών νερών είναι πιθανόν να έλαβαν χώρα τα έτη 2001, 2005 και 2008. 3.2 ΠΕΡΙΟΔΟΙ ΣΤΑΣΙΜΟΤΗΤΑΣ Χρησιμοποιώντας το ισοζύγιο μάζας στα βαθιά νερά (εξίσωση 2) στη λεκάνη της Λήμνου, υπολογίσαμε το μέσο συντελεστή κατακόρυφης τυρβώδους διάχυσης Κ v (z) σε διάφορα βάθη. Δεδομένου ότι η τιμή του συντελεστή Κ v (400 m) καθορίζει την ανταλλαγή μάζας μεταξύ βαθιών και ενδιάμεσων νερών σε περιόδους στασιμότητας, επιλέγουμε να παρουσιάσουμε τη χρονική εξέλιξη του συγκεκριμένου συντελεστή, καθώς και της συχνότητας στρωμάτωσης Ν σε βάθος 400 μέτρων συναρτήσει του χρόνου στην Εικόνα 3. Όσον αφορά τη σχέση τυρβώδους ανάμειξης με τη στρωμάτωση, εξετάσθηκε η σχέση που προτείνει η Gargett (1985), θεωρώντας ότι η κατακόρυφη ανάμειξη οφείλεται κυρίως σε εσωτερικά κύματα: (4) Εφαρμογή της σχέσης (3) απέδωσε τιμές του Κ v οι οποίες συγκρίθηκαν με τη μέση τιμή της στρωμάτωσης μεταξύ δύο διαδοχικών πλόων ώστε να τοποθετούνται χρονικά μαζί με τις προσεγγίσεις του Κ v. Από τη σύγκριση των τιμών (Εικ. 4) προέκυψε η τιμή q = -1.45. 4. Συμπεράσματα - Συζήτηση Στην παρούσα εργασία εξετάσθηκε η εξέλιξη των βαθιών νερών του Βορείου Αιγαίου, εστιάζοντας στη λεκάνη της Λήμνου. Οι θερμικές ανταλλαγές θάλασσας ατμόσφαιρας έδειξαν ότι από το 1999 και μετά αυξήθηκε σημαντικά η απώλεια ενέργειας από τη θάλασσα, ευνοώντας τη δημιουργία νέων πυκνών νερών. Παρόλα αυτά, η ανάλυση της εξέλιξης της πυκνότητας των βαθιών νερών έδειξε ότι ενώ υπήρξαν περιστατικά δημιουργίας νέου και πλούσιου σε οξυγόνο πυκνού νερού, η -465-
9 th Symposium on Oceanography & Fisheries, 2009 - Proceedings, Volume Ι Εικ. 3: Χρονική εξέλιξη της συχνότητας στρωμάτωσης Ν και του τυρβώδους συντελεστή κατακόρυφης ανάμειξης Κv σε βάθος 400 μέτρων στη λεκάνη της Λήμνου. Εικ. 4: Λογαριθμικό διάγραμμα του συντελεστή κατακόρυφης διάχυσης ως προς τη συχνότητα στρωμάτωσης σε βαθύτερα των 400 μέτρων νερά, στη λεκάνη της Λήμνου. ένταση των φαινομένων του 1992 και 1993 δεν επαναλήφθηκε, παρά το γεγονός ότι η απώλεια θερμότητας από τη θάλασσα ήταν συχνά μεγαλύτερη αυτής του 1992-1993. Τα παραπάνω υποδεικνύουν ότι δεν επαρκεί η μεγάλη απώλεια θερμότητας από τη θάλασσα για να επανατροφοδοτηθούν οι βαθιές λεκάνες με μεγάλες ποσότητες νέου πυκνού νερού. Επιπλέον των κατακόρυφων ροών πλευστότητας, πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η προϋπάρχουσα στρωμάτωση, καθώς και η συνεισφορά σε πλευστότητα από τη Μαύρη θάλασσα (Zervakis et al., 2000). Ένδειξη όσον αφορά το ρόλο της στρωμάτωσης δίνει η σύγκριση της χαμηλής στρωμάτωσης μεταξύ ενδιάμεσων και βαθιών νερών στα τέλη της δεκαετίας του 1980 σε σχέση με την υψηλή στρωμάτωση στα τέλη της δεκαετίας του 1990. -466-
9 ο Πανελλήνιο Συμπόσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 2009 - Πρακτικά, Τόμος Ι Ο συντελεστής κατακόρυφης ανάμειξης κυμαίνεται σε τιμές 10-4 -10-3 m 2 s -1, επιβεβαιώνοντας παλαιότερους υπολογισμούς (Zervakis et al., 2003). Η σχέση του με τη στρωμάτωση επιβεβαιώνει μερικώς ότι πιθανώς η ανάμειξη οφείλεται σε θραύση εσωτερικών κυμάτων. 5. Ευχαριστίες Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα εργασία προέρχονται από τα προγράμματα POEM, MATER, «Δημιουργία υποδομής για τη μελέτη της Διασυνοριακής Ρύπανσης στο Βόρειο Αιγαίο», KEYCOP, «Ποσειδών» και SESAME, τους υπευθύνους των οποίων και ευχαριστούμε πολύ. 6. Βιβλιογραφικές Αναφορές Carpenter, J. H., 1965. The accuracy of the Winkler method for the dissolved oxygen analysis. Limnology and Oceanology, 10: 135-140. Fairall, C.W, Bradley, E.F., Rogers D.P., Edson, J.B. & Young, G.S., 1996. Bulk parameterization of air-sea fluxes for tropical ocean global atmosphere coupled-ocean atmosphere response experiment. Journal of Geophysical Research C: Oceans, 101 (C2): 3747-3764. Josey, S. A., 2003. Changes in the heat and freshwater forcing of the eastern Mediterranean and their influence on deep water formation. Journal of Geophysical Research C: Oceans, 108 (C7): 3237, doi:10.1029/2003jc001778 Roether,W., Klein, B., Manca, B. B., Theocharis, A. & Kioroglou, S., 2007. Transient Eastern Mediterranean deep waters in response to the massive dense-water output of the Aegean Sea in the 1990s. Progress in Oceanography, 74: 540 571 Zervakis, V., Georgopoulos, D. & Drakopoulos, P. G., 2000. The role of the North Aegean in trigerring the recent Eastern Mediterranean climatic changes. Journal of Geophysical Research C: Oceans, 105 (C11): 26103-26116. Zervakis, V., Krasakopoulou, E., Georgopoulos, D. & Souvermezoglou, E., 2003. Vertical diffusion and oxygen consumption during stagnation periods in the deep North Aegean. Deep Sea Research I, 50: 53-71. -467-