Merten tutkimus eli oseanografia

Transkriptio

1 Merten tutkimus eli oseanografia

2 1. Johdanto Mitä meritiede on? Meritieteen historiaa Nykyiset tutkimusongelmat (ilmastonmuutos, rehevöityminen, ) Merentutkimus Suomessa (yli 100 v)

3 Fysikaalinen meritiede Perustuu luonnossa tehtyihin havaintoihin ja fysiikan teoriaan. Klassinen fysiikka Teoriasta keskeisinä alueina ovat lämpöoppi, optiikka ja virtausoppi Tutkimuksessa käytetään paljon matemaattisia malleja Planetaariset tekijät (Coriolis, vuorovesi). Merivesi on kemiallisesti Homogeeninen suolaliuos.

4 Miksi meriä tutkitaan? Tärkeimmät syyt ovat: Ympäristöongelmat Sää ja ilmasto Merenkulku ja meriteknologia Kalastus Virkistystoiminta Merisodankäynti

5 Merentutkimus kasvoi merenkulun mukana antiikin aikaan (foinikialaiset purjehtivat kaikkialla Välimerellä) Meritiede kehittyi osana maantiedettä. Newtonin aikaan ja sen jälkeen fysiikka mukaan (esim. vuorovedet), ja yleinen virtausoppi kehittyi. Historia

6 Meritiede omaksi tieteeksi 1800-luvulla Yhdysvaltain laivaston luutnantti M. F. Maury julkaisi v teoksen "The Physical Geography of the Sea Brittiläinen Challenger tutkimusmatka

7 Moderni aika Noin v aikaan kaksi merkittävää työkalua astui meritieteen palvelukseen: - kaukokartoitussatelliitit - numeerinen laskenta. Merten laajan koon takia satelliittimenetelmät soveltuvat erinomaisesti kartoitustehtäviin, vaikka niillä onkin omat rajoituksensa.

8 Suomessa Fysikaalinen meritiede on melko pieni ala Suomessa. Käynnistyi jo 1800-luvulla. Lähtökohtina olivat - yleinen luonnontieteellinen mielenkiinto - Itämeren jäät - maannousu. Nykyaikana lisäksi - merten tila - ilmastonmuutos G. Hällström

9 Merentutkimuslaitos Ensimmäinen suomalainen merentutkimusalus oli Nautilus (1903). Aranda (1953, 1989) Merentutkimuslaitos perustettiin v (Rolf Witting) ja lopetettiin Eduskunnan päätöksellä.

10 Eugenie Lisitzin ( ) Vedenkorkeustutkimukset, The Sea Level Changes (1974), Elsevier Ensimmäinen nainen Suomessa, joka väitteli fysiikasta tohtoriksi (1938) Professorin arvo 1965

11 Itämereltä suuriin meriin Kansainvälinen yhteistyö on vienyt tutkimustamme napamerten suuntaan. Pohjois-Atlantti, mukaan lukien Pohjoinen Jäämeri, 1950-luvulta lähtien. Weddellin meri (Etelämannersopimus 1984)

12 2. Havaintomenetelmät Tutkimusalukset Automaattiset asemat Suorat mittaukset Kaukokartoitus

13 Tutkimusalukset - mennään merelle ja lasketetaan laitteet mereen - rantavaltioilla omat laivat (strateginen merkitys) - havainnot tutkimusasemilla eli pisteillä (syvänteet) - laiteasennukset Tutkimusalukset

14 (a) Alus liikkuu havaintoasemalta toiselle tehden joka asemalla mittauksia. Laivan kulkunopeus: solmua. Vinssin laskunopeus on luokkaa 1 m/s. (b) Asennetaan pysyviä mittauslaitteistoja Tutkimusalusten havaintostrategia:

15 CTD-luotaus (Conductivity- Temperature Depth) suolaisuus=f (C,T) p =- ρgh meriveden tiheys tiedossa! Paineella pieni vaikutus Itämerellä, valtamerillä max 5 % tiheydestä Suorat mittaukset

16 Valaistusoloja mitataan säteilymittarien ja Secchi-levyn avulla

17 Automaattiset asemat Merellä on automaattiasemia, ankkuroituja tai ajelehtivia poijuja, joihin on liitetty mittalaitteita. Käytössä Argosjärjestelmä, jossa mittaustiedon siirto reaaliaikaisesti satelliittien avulla. Napamerilla käytetty miehitettyjä/miehittämättömiä jääasemia.

18 Kaukokartoitus Kaukokartoitussatelliitit mittaavat merenpinnasta tulevaa sähkömagneettista säteilyä eri aallonpituuskanavilla. Mittaukset kertovat - aallonpituudesta riippuen - meren värin, pintalämpötilan, pinnan geometrisen karkeuden, ja pinnan korkeuden passiivinen menetelmä mittaa kohteesta tulevaa luonnollista säteilyä aktiivinen menetelmämittaa satelliitin itsensä lähettämän signaalin takaisinsirontaa (tutka,laser)

19

20 Tulkinta Mittauksista on edelleen tulkittava niiden sisältämä geofysikaalinen informaatio: Väri Vedessä olevat aineet, levät, jää Lähi-IR väri -"- Pintalämpötila Pintalämpötila, jää, virtauskentän laatu Pinnankorkeus Pinnankorkeus geoidin suhteen Pinnankarkeus Aallokko, tuuli, jää

21 Fysikaaliseen merentutkimukseen ei kuulu paljon laboratoriotyötä Tärkeimmät alueet ovat veden optiikan tutkimus sekä merijäänäytteet kylmälaboratoriossa. Kalibrointi- ja kontrollimittauksia koskien esim. suolaisuuden määritysmenetelmiä Laboratorio

22 3. Merten topografia ja merivesi Yleispiirteet Merten luokitus Topografian osat Pohja-aines

23 Maapallon pinta-alasta on 70.8 % merta ja 29.2 % maata. Meri:maa suhde on eteläisellä pallonpuoliskolla 4:1 ja pohjoisella 3:2. Merten keskisyvyys on 3.7 km ja suurin syvyys km (Mindanao Trench Tyynen valtameren Aasian reunalla). Dimensiot

24

25 Topografia Merten syvyys H: keskiarvo 3,7 km, max 11,5 km Litteys: H/L ~ 10 3, L = laajuus Ohuus: H/R ~ 10 3, R = maapallon säde Mannerjalusta (-hylly) à mannerrinne Syvänmeren altaat (3 6 km) Keskiselänne (2 km) Hautavajoamat

26 Valtameret!!!!!!Ala!!H!!!!!!!10 6 km 2!m Tyyni valtameri!!147!!4200 Atlantin valtameri! 88!!3300 Intian valtameri!! 49!!3800 Eteläinen valtameri! 77!!3600 Kaikki meret!!!361!!3800

27 Valtamerten osina Suuret välimeret - Välimeri, Karibian meri Pienet välimeret - Itämeri, Musta meri, Hudsonin lahti Reunameret - Pohjanmeri, Ohotan meri Sisämeret - Sargassomeri

28 Valtamerten keskiosassa, mannerlaattojen yhtymäkohdassa - maapallon laajin yhtenäinen topografinen piirre Valtamerten keskiselänne - vedenalaiset tulivuoret - murtumalinjat (vedenvaihto)

29 Keskiselänne tulee pintaan Islannissa

30

31 Pohjois-Atlantti ja Pohjoinen Jäämeri

32 Vesi ja merivesi Vesi on ainoa aine, joka maapallon luonnonoloissa esiintyy kaikissa olomuodoissa: kiinteänä, nestemäisenä ja kaasuna. Valtaosa maapallon vesivaroista on merissä laimeasuolaisena liuoksena. Merivesi poikkeaa hieman ominaisuuksiltaan makeasta vedestä

33 Meriveden suolaisuus Meriveden suolojen suhteellinen massa!s = m s /(m w +m s ) m w on puhtaan veden ja m s suolojen massa.!! Meriveden suolojen suhteelliset osuudet ovat! samat kaikkialla, vain kokonaismäärän! absoluuttinen taso vaihtelee.!! Suolaisuus vaikuttaa merkittävästi meriveden! tiheyteen.!

34 Nykyisin suolaisuus määritetään sähkönjohtavuuden R perusteella R= f(s,t) Tarkat määritykset laboratoriosalinometrin avulla Suolaisuus

35 Meriveden fysikaaliset ominaisuudet Veden poikkeukselliset ominaisuudet Tilayhtälö: ρ = ρ(s,t,p) Muita meriveden fysikaalisia ominaisuuksia Laimea suolaliuos (tavallisesti S 35, max 40 45, murtovesi S < 25, Itämeren pintavesi 5 7 )

36

37 Meriveden fysikaaliset ominaisuudet Suure Laatu Makea vesi Merivesi (35 ppt) Viskositeetti 1 g/(cms) Pieni merkitys (+) Pintajännitys N/m Pieni merkitys (+) Äänennopeus km/s % suurempi Ominaislämpö J/(g o C) % pienempi Lämmön- johtokyky 1 J/(cms o C) 6x10-3 Pieni merkitys (-) Refraktio- indeksi Suurempi (alle 1 %) Valon vaime- neminen 1/m Pieni 1 molekyläärinen

38 4. Lämpötila ja suolaisuus Vesirungon lämpötila, suolaisuus ja tiheysrakenne Muutosvyöhykkeet eli kliinit (termokliini, halokliini,pyknokliini) Vesityypit ja vesimassat Stabiliteetti Tallinn Hels

39 Hydrografia: veden karakterisointi Lämpötila- (T) ja suolaisuus (S) à tiheys Joskus myös happi, ravinteet, Mittaustarkkuus pitää olla suuri (0,005 o C, 0,005 ), mittaus CTD (conductivitytemperature-depth) luotaimella T,S ovat konservatiivisia suureita: perustaso muuttuu vain rajapintojen kautta Jäljittävät meren kiertoliikettä.

40 Vesirungon kerrostuneisuus Peitekerros ( m): vuodenaikojen mukaiset vaiheet, ylinnä 5 50 m paksu homogeeninen tuulen ja aallokon sekoittama pintakerros. Pysyvä termokliini (peitekerroksesta m syvyyteen): ylimenokerros, jossa lämpötila laskee jyrkimmin syvyyden kasvaessa. Syvävesi (yli 1 km:n syvyydet): muutokset pieniä, suolaisuudeltaan ja lämpötilaltaan toisistaan eriäviä vesimassoja, jotka ovat eri alueilta lähtöisin; alimpana (merten) pohjavesi.

41

42 Hydrografia vuodenaikaisvaihtelu, Pohjoinen Tyyni Valtameri

43

44 Vertikaalinen kierto Pintavesi stabiloituu sadannan tai lämpenemisen takia à sekoittumista voi tapahtua tuulen ja aallokon vaikutuksesta pintakerroksessa.! Pintavesi labiloituu haihdunnan tai jäähtymisen takia à muodostuu syvemmälle painuvaa konvektiota.! Talvisaikaan tietyillä napamerten alueilla (Weddellin, Grönlannin ja Rossin meret) konvektio ulottuu pohjaan asti à syvät vesimassat uudistuvat ja pohjaan jäävä kylmä polaarivesi kulkeutuu kaikkialle alemmille leveysasteille.

45 Merten lämpötalous Lämpöä voidaan syöttää meriin tai poistaa vain veden ja ilman rajapinnan kautta Meri-ilma lämmönvaihto Vertikaalinen vaihto

46

47

48 5. Merten dynamiikka Merten virtaukset ja niiden kehittyminen Liikemäärän säilymislaki (3 komponenttia) Massan säilymislaki Tilayhtälö Lämpötalousyhtälö Suolan säilymisyhtälö

49 Merivirrat Ylempi vesipatja (pysyvän termokliinin läpi, 1 2:een kilometriin): pysyvät tuulen ajamat merivirrat, rannikoiden muodon ja Coriolisefektin muovaamana. Alempi vesipatja kulkee termohaliinisena sirkulaationa navoilta kohti alhaisia leveysasteita pohjan topografian ohjaamina.

50

51 Virtaukset: taustamekanismit Maapallon painovoima ja veden tiheys: termohaliini sirkulaatio Tuuli: tuulen ajovirta (pintakerroksessa) Pinnankorkeus à mukautuminen Kuu ja aurinko: vuorovesi Maapallon pyöriminen (Coriolis-efekti)

52 Barometriefekti Ilmanpaineen vaikutus vedenpinnan! korkeuteen.! Lepotilassa vallitsee hydrostaattinen tila eli! horisontaalisuunnassa paine = vakio. Tällöin on! kahden pisteen välillä oltava p a1 = p a2 + ρgh,! missä h on vedenpinnan korkeusero sekä p a1 ja! p a2 ilmanpaineet ko. pisteissä, siis!h = (p a1 p a2 )/ρg Jos p a1 p a2 = 1 mbar = 10 2 N/m 2, on h = 1,0 cm.

53 Geostrofinen virtaus Pyörivän maapallon virittämä" stationäärinen! virtaus, jossa horisontaalinen painevoima ja! Coriolis-kiihtyvyys ovat tasapainossa. Ilmiön voimakkuutta kuvaa suure f = 2Ωsinφ (Ω maapallon kulmanopeus, φ leveysaste)! eli Coriolisparametri; Corioliskiihtyvyys on! f x nopeus, kohtisuoraan oik. kulkusuunnasta! (vas. etel. pallonpuoliskolla).!

54 Pinnankaltevuuden vaikutus Tässä x-suuntaan pinta nousee, z(0) = 0 ja z(l) = h.! Tällöin on u = 0 ja v = (g/f) h/l Esim. Jos h = 10 cm, L = 100 km ja leveysaste =! 60 o N, on v = 7,8 cm/s kuvasta sisään.!

55 Tuulen ajovirta: Ekman spiraali Coriolis ja kitka tasapainottavat toisensa. Malli on pätevä kvalitatiivisesti, ei yksityiskohdittain.

56 Ekmanin kuljetusvirta Tuulen ajovirran kokonaiskuljetus (Ekman-kuljetusvirta)! Suuntautunut kohtisuoraan oik. pohjoisella (vas. etel.) pallonpuoliskolla) tuulen suunnasta.

57 Kumpuaminen rannikolla (pohjoinen pallonpuolisko) tuuli Ekmankuljetus syvä vesi nousee pintaan, tuo ravinteita

58 Normaali )lanne, kumpuaminen Perun rannikolla (kalastus!)

59 El Nino

60 Vuorovesi

61

62 Aaltoliike on ajan/ paikan suhteen jaksollinen, toistuva ilmiö. kapillaariaallot (pintajännitys) matalan veden aallo,) tuulen ajamat aallot sisäiset aallot vuorovedet Aaltoliike

63 Aaltoliike Matalan veden aallot Syvän veden aallot

64

65

66

67 Aallokko Aallokko on dispersiivinen eli eri pituiset aallot etenevät eri nopeuksin, pitkät nopeimmin.! Aallokko sisältää kaikenkokoisia aaltoja ja on esitettävissä sinimuotoisten perusaaltojen summana. Se kuvataan aallokkospektrin avulla, jossa pinnankorkeuden varianssi on esitettynä eri jaksoisten aaltojen osuuksien jakautumana.

68 Täysin kehittynyt aallokko Kyllästystilassa tuulen syöttämä mekaaninen energia ja aallokon ylläpitämisessä kuluva mekaaninen energia ovat tasapainossa.! Kyllästystila riippuu tuulen nopeudesta sekä ns. tuulen pyyhkäisymatkasta.! Merkitsevä aallonkorkeus korkeimman kolmanneksen keskiarvo. Se vastaa melko hyvin havaitsijan visuaalista käsitystä "tyypillisestä" aallonkorkeudesta. Maksimiaallonkorkeus on noin 1,8 kertaa merkitsevä aallonkorkeus.

69

70 Aaltoliike

71 6. Merten optiikka Meren optiikassa tutkitaan merten valaistusoloja -valon heijastuminen veden pinnassa -valon absorptio ja sironta meressä Auringonsäteily ja vesipinta Auringonsäteily eteneminen vedessä

72 Optisesti aktiivit ainekset Luonnonvesien tärkeimmät absorpoivat elementit ovat Vesi itse on tärkein, erityisesti infrapuna-alueella Kelta-aines, liuenneita orgaanisia aineita Suspendoitunut aines Klorofylli (lehtivihreä)

73 Mosaics of the White Sea images taken in May сhldoc smsst chl ug/l doc mcg/l sm mg/l sst C

74 7. Merijää Meriveden jäätyminen Jäätyvät meret Merijään ominaisuudet Jääpeitteen vaikutus meri-ilmavuorovaikutukseen

75 Napameret jäätyvät Yleeensä 60. leveysasteen yläpuolella Meriveden jäätymispiste 2 o C Jää on suolaista Jäät rikkoutuvat lautoiksi, laajuus jopa 100 km - > Ajojää Alivuo)nen jää 1-2 m Monivuo)nen jää 3-5 m Railot ja polinjat Ahtojääröykkiöt vahvimmillaan 50 m paksuja Jäät ajeleh)vat jopa 20 km/vrk

76

77 Ark)nen tutkimus Nansen Pohjoinen Jäämeri Makarov (Jermak) 1900 Sverdrup, Maud luvulla Neuvostoliiton SP- asemat 1937 Kylmän sodan aika Öljy/kaasu kuume 1970 ; AIDJEX Jäänmurtaja Ark)ka navalla 1977 AutomaaZasemat luku Turismi luku Ilmastonmuutos

78 Termodynaaminen kasvu Ensi approksimaa)ossa kuten järvijää, seuraava tarkennus tulee suolataskuista Ensimmäisen talvena aikana ark)nen jää kasvaa metrin vahvuiseksi Kesällä napajää sulaa hieman (~½ m) Muutaman vuoden kuluessa tulee tasapainopaksuus 3 4 m

79 Arktikan Euroopan sektori, toukokuu 1985