Αλληλεπίδραση θάλασσας ατμόσφαιρας ΔΙΑΛΕΞΗ 1 (Σύντομη Εισαγωγή στη Φυσική Ωκεανογραφία) Οι ιδιότητες του θαλασσινού νερου Κατανομή των κύριων φυσικών χαρακτηριτικών στον ωκεανό Μέθοδοι παρατήρησης και προσομοίωσης Ωκεάνια κυκλοφορία Βασικές Εξισώσεις στη Δυναμική Φυσική Ωκεανογραφία
Οι αναλογίες των βασικών διαλυμένων συστατικών του ωκεανού Οι αναλογίες των βασικών συστατικών είναι παντού ίδια στον ωκεανό!! The "la" of constant proportions (Dittmar, 1884) Αν γνωρίζουμε την ποσότητα ενός συστατικού σε δείγμα θαλάσσιου νερού, μπορούμε να γνωρίζουμε την ποσότητα για όλα τα συστατικά. Άρα, αν μετρήσουμε ένα συστατικό ξέρουμε την ποσότητα όλων των συστατικών! Μία ιδιότητα ΑΛΑΤΟΤΗΤΑ Χονδρικός (παραδοσιακός) ορισμός : Η ποσότητα στερεών ουσιών (σε gr) σε ένα kg θαλασσινού νερού,... μετά από κάποιες χημικές διεργασίες Αυτό πλέον έχει καταργηθεί (όχι πρακτικό, μικρές ακρίβειες, συνδυασμοί αυτών) και η αλατότητα συνδέθηκε με την αγωγιμότητα του νερού διαφορετικών ιδιοτήτων. ΑΛΑΤΟΤΗΤΑ
Επιφανειακή κατανομή αλατότητας:
Salinit: tlantic Ocean at 5 o W
Salinit: Pacific Ocean at 150 o W
Salinit: Indian Ocean at 95 o E
Η θερμοκρασία είναι θερμοδυναμική ιδιότητα ενός ρευστού, λόγω της μοριακής κίνησης μέσα σε αυτό( εντονότερες κινήσεις οδηγούν σε υψηλότερη θερμοκρασία). Στην ωκεανογραφία χρησιμοποιούμε βαθμούς Κελσίου ( o C) Για θερμικό περιεχόμενο και ροές θερμότητας πρέπει να χρησιμοποιούνται βαθμοί Κέλβιν ( ο Κ) (απουσία ροής νερού, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε o C) ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ
Τυπική κατακόρυφη κατανομή θερμότητας: Στρώμα ανάμιξη Θερμοκλινές Βαθιά νερά ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ
Δυνητική θερμοκρασία: Το νερό είναι λίγο συμπιεστό Δυνητική θερμοκρασία ονομάζεται η θερμοκρασία του νερού αν αυτό μεταφερθεί αδιαβατικά στην επιφάνεια της θάλασσας ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ
Επιφανειακή κατανομή θερμοκρασίας:
Potential Temperatre: tlantic Ocean at 5 o W
Potential Temperatre: Pacific Ocean at 150 o W
Potential Temperatre: Indian Ocean at 95 o E
Πίεση είναι η δύναμη ανά μονάδα επιφάνειας που ασκεί το νερό στη μονάδα επιφάνειας. Όργανα μέτρησης πίεσης: Παλιότερα με διπλό αναστρεφόμενο θερμόμετρο (προστατευόμενο και μη) Σήμερα με ηλεκτρονικά όργανα Μονάδες μέτρησης: CGS: dnes/cm. MKS: Netons/m, and 1 Pascal = 1 Neton/m. tmospheric pressre is sall measred in bars: 1 bar = 10 6 dnes/cm = 10 5 Pascal Ocean pressre is sall measred in decibars: 1 dbar = 10 1 bar = 10 5 dne/cm = 10 4 Pascal ΠΙΕΣΗ Το βάθος συνήθως δίνεται σε μονάδες πίεσης 1dbar 1meter βάθους
Πυκνότητα είναι η μάζα στη μονάδα του όγκου. ρ=m/v Εξαρτάται (βασικά) από την αλατότητα, τη θερμοκρασία και την πίεση: ρ=ρ(s,t,p) Καταστατική εξίσωση (ορισμένη από εργαστηριακά πειράματα) Η πυκνότητα δεν μετράται αλλά υπολογίζεται από τα χαρακτηριστικά του θαλάσσιου νερού και τήν πίεση. Μονάδες: Kg/m 3 (CGS: gr/cm ) ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ Συνήθως χρησιμοποιούμε την πιο εύχρηστη densit anomal ή απλά σίγμα: σ = ρ 1000 kg/m 3 = σ(s,t,p)
Η καταστατική εξίσωση δεν είναι γραμμική 1. Επίδραση θερμοκρασίας. Επίδραση αλατότητας 3. Επίδραση πίεσης ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ (see Gill, 198: tmosphere Ocean Dnamics)
ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ Η μη γραμμικότητα της πυκνότητας σε σχέση με τις παραμέτρους που την καθορίζουν έχει σημαντικές επιδράσεις στην κατακόρυφη στρωμάτωση των ωκεανών και τη γενική κυκλοφορία του T/S diagram
Επιφανειακή κατανομή πυκνότητας:
σ θ : tlantic Ocean at 5 o W
σ θ : Pacific Ocean at 150 o W
σ θ : Indian Ocean at 95 o E
Ορισμοί: Όλοι οι ορισμοί βασίζονται σε ανάλυση δύο χαρακτηριστικών του θαλάσσιου νερού (π.χ. T/S, T/O ). Οι ορισμοί είναι συνήθως ασαφείς και συχνά στηρίζονται στην εμπειρία διάγνωσης αποτελεσμάτων Τύπος νερού: Ένα σημείο στο T/S διάγραμμα Μάζα νερού: (Μία γραμμή στο T/S διάγραμμα) Μία μάζα νερού με ιδαίτερα χαρακτηριστικά (T, S, O, ), που ορίζεται από ένα διάστημα πυκνοτήτων (βαθών). ΜΑΖΕΣ ΝΕΡΟΥ
Υδάτινες μάζες: 4 επίπεδα στον παγκόσμιο ωκεανό (1) Upper laer: entilated thermocline. Incldes Mode Waters, Central Water, sbtropical Underater (salinit maimm ater) () Intermediate laer: Labrador Sea Water, Mediterranean Oerflo Water, Red Sea Water, North Pacific Intermediate Water, ntarctic Intermediate Water (3) Deep laer: North tlantic Deep Water, Pacific Deep Water (aka Common Water), Indian Deep Water, Circmpolar Deep Water (4) Bottom laer: ntarctic Bottom Water (aka Loer Circmpolar Deep Water) ΜΑΖΕΣ ΝΕΡΟΥ
ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΥΔΑΤΙΝΕΣ ΜΑΖΕΣ ΜΑΖΕΣ ΝΕΡΟΥ
ΜΑΖΕΣ ΝΕΡΟΥ ΕΝΔΙΑΜΕΣΕΣ/ΒΑΘΙΕΣ ΥΔΑΤΙΝΕΣ ΜΑΖΕΣ Lo salinit: Labrador Sea Water, North Pacific Intermediate Water, ntarctic Intermediate Water High salinit: Mediterranean Water, Red Sea Water
ΜΑΖΕΣ ΝΕΡΟΥ ΥΔΑΤΙΝΕΣ ΜΑΖΕΣ ΒΥΘΟΥ Nordic Seas Oerflo aters ntarctic Bottom Water in Weddell, Ross Seas and delie Coast
Εισαγωγή Οι παρατηρήσεις στη (Φυσική)Ωκεανογραφία είναι ιδιαίτερα δαπανηρές και δύσκολες Τα σφάλματα μικρής χωρο-χρονικής κάλυψης (nder-sampling) είναι πολύ μεγαλύτερα από τα σφάλματα των οργάνων 006-007 Κατεύθυνση προς: Φθηνότερες παρατηρήσεις που να καλύπτουν μεγάλες χωρο-χρονικές Νέα (πολυ)-όργανα Νέες τακτικές παρατήρησης Συνδυασμοί
Μέθοδοι Πλατφόρμες/όργανα Πλατφόρμες Υδρογραφία Όργανα μέτρησης δυναμικών χαρακτηριστικών Ωκεανογραφικά σκάφη Ρυμουλκούμενα όργανα Πλοία «ευκαιρίας» Αγκυροβόλια Lagrangian όργανα Δορυφόροι CTD Nansen και Niskin μπουκάλες Θερμοσαλινογράφος Δορυφορικό SST (και αλατότητα) Ρευματογράφοι Παλιρροιογράφοι Κυματογράφοι Lagrangian όργανα
CTD
Δορυφορικές πλατφόρμες SST ltimetr Ocean color Wind Rain Salinit (?) Trbidit
HF Radars
κλπ...
Sampling Techniqes Επιστημονικό ερώτημα: (χωρο χρονικές) κλίμακες φαινομένων Τοποθεσία / δυναμική περιοχής Οικονομία / ασφάλεια οργάνων Mlti platform / mlti disciplinar
0 0 0 (5.1) = = = = = = p t p p p t p S t p S p S p S t p T t p T p T p T t g p p p g p f p t p p p t p p g p f p t p p p t ρ ) ( 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Δ Δ Δ = Δ = Δ Δ = c c t t c n j n j n j n j n j n j n j n j n j n j n j n j tmospheric Forcing Initialiation Data ssimilation Αριθμητικά Μοντέλα
models σ models isopcnal
The horiontal GRID
Αναλύοντας τα αποτελέσματα
Copled Models and Global Climate Models
Scenarios and Ensembles
More models.
Επιχειρησιακή Ωκεανογραφία
http://.oc.phs.oa.gr Πρόγνωση κυματισμού Πρόγνωση θαλάσσιας κυκλοφορίας Σε συνεργασία με την ομάδα: Ατμοσφαιρικών Μοντέλων και Πρόγνωσης Καιρού Πρόγνωση διασποράς πετρελαιοκηλίδων
LERMO OCEN FORECSTING SYSTEM LERMO NEG NO Satellite LERMO FORECST
Παραμετροποίηση εξόδου νερών BSW Ανοιχτό Όριο Δαρδανέλια Μέση Ετήσια Παροχή Q IN =600 km 3 / Q OUT =300 km 3 / Q NET = 300 km 3 / (S in =8.3 ps) Βάθος Q IN =1330 km 3 / Q OUT =1010 km 3 / Q NET = 300 km 3 / Εποχικότητα π ( t1 t) Q IN = Q IN QPL. cos( ) 360 π ( t1 t) QOUT = QOUT 0.4. QPL.cos( ) 360 Χαρακτηριστικά Νερών S in,t in S ot,t ot H = 15m Επιφανειακή αλατότητα/ροή Β. Αιγαίου
Παράκτιο μοντέλο κυματισμών και κυματογενών ρευμάτων Μελέτη περιοχής ενδιαφέροντος Παν. Αθηνών Παν. Θεσσαλονίκης Παν. Αιγαίου Κυματική πρόγνωση Ατμοσφαιρική πρόγνωση Υδροδυναμική πρόγνωση Τ ο π ι κ ή Π ρ ό γ ν ω σ η ιαδικτυακός Τόπος Μοντέλο πετρελαιοκηλίδας Χ Ρ Η Σ Τ Ε Σ
Τοπική Ατμοσφαιρική και Θαλάσσια Πρόγνωση Πρόγνωση διασποράς πετρελαιοκηλίδας http://dialos.oc.phs.oa.gr Oil spill forecast (48-h) Local atmospheric/oceanic forecast (48-h) Links to regional forecast (3-5 das) Other info
Περιοχή ατυχήματος Ποσότητα πετρελαίου Είδος πετρελαίου Χρόνος ατυχήματος
Validation/Calibration BD NEWS! GOOD NEWS!
Sbpolar gre tlantic Circlation Sbtropical gre Eqatorial Crrent Sstem Sbtropical gre (ntarctic Circmpolar Crrent) Sbpolar gre
Sbpolar gre Sbtropical gre Pacific Circlation Sbtropical gre (ntarctic Circmpolar Crrent) Sbpolar gre
Srface temperatre range that reslts in the monsoon Sea srface temperatre ariations are mch smaller than land srface temperatre ariations. (Mainl the seasonal ccle) Tibetan platea: range of 60 C Ocean: range of 3 to 5 C Kmp et al. (004)
Indian Circlation
sian (Indian) monsoon effects of pelling on biomass Spring (NE monsoon) September (SW monsoon) Ocean color: high ales indicate more phtoplankton. Note rabian Sea pelling signatre dring the SW monsoon. (NS SeaWifs ocean color project)
ntarctic Circmpolar Crrent
ΣΥΝΘΕΣΗ
EQUTORIL CURRENT SYSTEM
Global thermohaline cell
Εξίσωση Συνέχειας (διατήρηση της μάζας): Θεωρούμε ένα στοιχειώδη όγκο στον ωκεανό διαστάσεων δ δ δ και υπολιγίζουμε τη ροή ρευστού στη διεύθυνση. Ροή μάζας προς τον στοιχειώδη όγκο = ρδδ Ροή μάζας από τον στοιχειώδη όγκο = ρ ρ δ δ δδ Λόγω μεταβολών στη διεύθυνση
( ) ( ) ( ) = t ρ ρ ρ ρ ( ) ( ) ( ) = 0 t ρ ρ ρ ρ t dt d = ρ ρ ρ ρ ρ αλλά 0 1 = dt dρ ρ Εξίσωση Συνέχειας Ρυθμός μεταβολής ενός στοιχειώδους όγκου νερού που κινείται στον ωκεανό Μεταβολή όγκου του στοιχειώδους όγκου
Αν το θαλασσινό νερό θεωρηθεί ασυμπίεστο Compressibilit 1 β = V dv dp 1 = V dv dt dt dp 1 = V dv dt dp dt Αν αλλάζει η πίεση αλλά όχι ο όγκος Χρησιμοποιώντας 1 dv β = 0 ; = 0 V dt ρ = m V 1 d ρ V d m = = 1 ρ dt m dt V V Άρα ένα ρευστό είναι ασυμπίεστο όταν dv dt Bossinesq pproimation Εξίσωση Συνέχειας για ασυμπίεστο ρευστό 1 dρ = 0 ρ dt = 0 No sond aes!
Εξίσωση διατήρησης θερμικής ενέργειας: i o T i o T S S T k dt dt C S S T k p dt dt C = = υ υ ρ ρ Εξίσωση διατήρησης αλατιού: i o S S S T k dt ds = Καταστατική εξίσωση: ( ) ( ) [ ] 0 0 0 1 S S T T = β α ρ ρ ρ 0 =108 kg/m 3, T 0 =10 o C=83 o K, S 0 =35, α=1.510 4 o K 1, β=7.610 4
= 0 Bossinesq pproimation: = L U L U H W = Scaling: ( ) m O L 6 10 = ( ) m O H 3 10 = Large Scales: ( ) U O W 10 3 = D Flo pproimation at the large scale! Εφαρμογή 1
Εφαρμογή Ισοζύγιο νερού ημί-κλειστης λεκάνης For stead state in a semi enclosed basin V V i i V S i o = E V o P R S o = 0
ΕΞΙΣΩΣΗ ΚΙΝΗΣΗΣ r γ = 1 F r ρ ρg r Grait = d r Coriolis Force dt Pressre gradient Viscos Forces
Using the total deriatie relation: cos sin 1 P t V H H Ω Ω = φ φ ρ sin 1 P t V H H Ω = φ ρ cos 1 g P t V H H Ω = φ ρ (): (): (): <<, << g = Ωsinφ f Coriolis freqenc
1 f P t V H H = ρ 1 f P t V H H = ρ 1 g P t V H H = ρ (): (): (): Τελικές εξισώσεις κίνησης που θα χρησιμοποιήσουμε:
= Renolds Stresses = 0 = = a a a b a b a ( ) ) ( ) ( ) ( 1 ) )( ( ) )( ( ) )( ( f P P t V H H = ρ 1 f P t V H H = ρ 1 f P t V H H = ρ
) ( ) ( ) ( 1 f P t V H H = ρ Viscosit - Dissipation H H H ; ; Για 1 f P t V H H = ρ
1 f P t V H H = ρ 1 f P t V H H = ρ 1 g P t V H H = ρ = 0
Γεωφυσικά Ρευστά: Ρευστά με περιστροφή στρωμάτωση Ατμόσφαιρα Ωκεανός Θερμοκρασία/υγρασία (Βασικά) όχι πλευρικά όρια (Κυρίως) θερμοδυναμικό forcing Θερμοκρασία/αλατότητα Πλευρικά όρια Θερμοδυναμικό/μηχανικό/παλιρροικό forcing Πρακτικά ασυμπίεστο Διαφορετικές κλίμακες Τεράστια θερμοχωρητικότητα
tmosphere Ocean
ir sea interactions Small to mesoscale Snoptic scale Scale changes: Oceanic accmlation Redistribtion Other interactions: Crosphere, land, biolog, sediments, etc. Climatic