ΔΙΑΛΕΞΗ 1 “Οι ιδιότητες του θαλασσινού νερου”

ΔΙΑΛΕΞΗ 1
“Οι ιδιότητες του θαλασσινού νερου”
Περιεχόμενα:
1. Εισαγωγή
2. Βασικές ιδιότητες
θαλασσινού νερου
i. Αλατότητα
ii. Θερμοκρασία
iii. Πυκνότητα και
στρωμάτωση
3. Άλλες ιδιότητες
4. Μάζες νερού και
κατανομή τους
ΦΥΣΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ
Οι αναλογίες των βασικών διαλυμένων συστατικών του ωκεανού
Dissolved Ion
% by weight
of dissolved
ions
55.04
30.61
7.68
3.69
1.16
1.1
0.41
0.19
0.07
0.04
0.002
99.992
% by
weight of
seawater
1.898
1.0556
0.2649
0.1272
0.04
0.038
0.014
0.0065
0.0026
0.0013
0.0001
3.4482
Οι αναλογίες των βασικών συστατικών είναι παντού ίδια
στον ωκεανό !!
The "law" of constant proportions (Dittmar, 1884)
ΑΛΑΤΟΤΗΤΑ
Chloride
Sodium
Sulfate
M agnesium
Calcium
Potassium
Bicarbonate
Bromide
Boric Acid
Strontium
Fluoride
Total
Chemical
Formula and
Charge
(Cl-)
(Na + )
(SO 4 2-)
(M g + )
(Ca 2+ )
(K + )
(HCO 3 -)
(Br-)
(H 3 BO 3 )
(Sr 2+ )
(F -)
• 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!
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
Μία ιδιότητα
Μέτρηση αλατότητας:
Evaporate a sample to dryness and weigh the residue. (not practical,
especially at sea; not accurate)
oo
Since the 1970s, we have used the Practical Salinity Scale.
C = C (S, T, p) → S = S (C, T, p); This is good to 0.001 o/oo or less.
This is based on the electrical conductivity of seawater rather than a
chemical determination. Conductivity C can be measured very precisely.
Method: determine the conductivity of a seawater sample relative
to a known standard (“standard seawater”), add T and p, then infer
S from the function.
Practical Salinity Unit (psu) ορίζεται ως η αγωγιμότητα πρότυπου δείγματος νερού.
Πρόσφατα αποφασίστηκε να παρουσιάζεται ως αδιάστατη ιδιότητα. (Με τον ορισμό
αυτό η αλατότητα δεν αντιστοιχεί πλέον σε γραμμάρια ανά λίτρο!).
ΑΛΑΤΟΤΗΤΑ
Traditional method (through the 1960s): titrate seawater samples with
AgNO3 , precipitate the halogens, determine the amount of Cl, then
scale-up to S from the ratios of other constitutents. Good to about 20
ppm, or 0.02 o/oo .
S (o/ ) = 1.80655 × Cl, where Cl is the chlorinity
Η θερμοκρασία επηρεάζει την ηλεκτρική αγωγιμότητα του θαλάσσιου νερού:
ΑΛΑΤΟΤΗΤΑ
Όργανα μέτρησης αλατότητας:
ΑΛΑΤΟΤΗΤΑ
CTD - SALINOMETER
Επιφανειακή κατανομή αλατότητας:
Salinity: Atlantic Ocean at 25oW
Salinity: Pacific Ocean at 150oW
Salinity: Indian Ocean at 95oE
E=E– P– R
ΑΛΑΤΟΤΗΤΑ
Ο υδρολογικός
κύκλος (μαζί με την
κυκλοφορία και την
ανάμιξη) καθορίζει
την κατανομή
αλατότητας των
ωκεανών.
Η θερμοκρασία είναι θερμοδυναμική ιδιότητα ενός ρευστού, λόγω της
μοριακής κίνησης μέσα σε αυτό( εντονότερες κινήσεις οδηγούν σε
υψηλότερη θερμοκρασία). Η θερμοκρασία είναι μέτρο του θερμικού
περιεχομένου και συνδέεται με τη θερμότητα μέσω της ειδικής
θερμότητας.
Στην ωκεανογραφία χρησιμοποιούμε βαθμούς Κελσίου (oC)
Για θερμικό περιεχόμενο και ροές θερμότητας πρέπει να
χρησιμοποιούνται βαθμοί Κέλβιν (οΚ) – (απουσία ροής νερού,
μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε oC)
0 οC = 273.16 οK
Βαθμοί Φαρενάιτ (οF)
C=F*(5/9)+32
ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ
Μονάδες μέτρησης:
Όργανα μέτρησης θερμοκρασίας:
• Reversing thermometer
• CTD
• Thermosalinograph
Τυπική κατακόρυφη κατανομή θερμότητας:
Στρώμα ανάμιξη
Θερμοκλινές
ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ
Βαθιά νερά
Δυνητική θερμοκρασία:
Το νερό είναι “λίγο” συμπιεστό
Δυνητική θερμοκρασία ονομάζεται
η θερμοκρασία του νερού αν αυτό
μεταφερθεί αδιαβατικά στην
επιφάνεια της θάλασσας
Επιφανειακή κατανομή θερμοκρασίας:
Potential Temperature: Atlantic Ocean at 25oW
Potential Temperature: Pacific Ocean at 150oW
Potential Temperature: Indian Ocean at 95oE
ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ
Η θερμοκρασία καθορίζεται από τη ροή θερμότητας με την ατμόσφαιρα,
την κυκλοφορία και ανάμιξη.
Πίεση είναι η δύναμη ανά μονάδα επιφάνειας που ασκεί το νερό (ή ο
αέρας στην ατμόσφαιρα) πάνω στη μονάδα επιφάνειας.
Η δύναμη λόγω πίεσης εμφανίζεται λόγω διαφορά πίεσης μεταξύ
δύο σημείων (βαθμίδα πίεσης). Έχει κατεύθυνση από την υψηλή
προς τη χαμηλή πίεση.
Η πίεση σε ορισμένο βάθος εξαρτάται από τη μάζα του
υπερκείμενου ρευστού (Υδροστατική Εξίσωση).
Π.χ. Αν η μεταβολή πίεσης είναι 100 decibars (100 dbar), η
έπιτάχυνση της βαρύτητας g = 9.8 m/sec2, και η πυκνότητα του
νερού 1025 kg/m3, τότε η μεταβολή του βάθους είναι 99.55 μέτρα.
ΠΙΕΣΗ
Στον ωκεανό, η κατακόρυφη δύναμη βαρύτητας εξισοροπείται από
την κατακόρυφη βαθμίδα πίεσης. Για το λόγο αυτό είναι
αναμενόμενο ότι η πίεση αυξάνεται με το βάθος.
Όργανα μέτρησης πίεσης:
•Παλιότερα με διπλό αναστρεφόμενο θερμόμετρο (προστατευόμενο και μη)
•Σήμερα με ηλεκτρονικά όργανα
Το βάθος συνήθως δίνεται σε μονάδες πίεσης 1dbar ≈ 1meter βάθους
ΠΙΕΣΗ
Μονάδες μέτρησης:
CGS: dynes/cm2.
MKS: Newtons/m2 ,
and 1 Pascal = 1 Newton/m2.
Atmospheric pressure is usually measured in
bars:
1 bar = 106 dynes/cm2 = 105 Pascal
Ocean pressure is usually measured in
decibars:
1 dbar = 10-1 bar = 105 dyne/cm2 = 104 Pascal
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)
Η πυκνότητα δεν μετράται αλλά υπολογίζεται από τα χαρακτηριστικά
του θαλάσσιου νερού και τήν πίεση.
Μονάδες: Kg/m3 (CGS: gr/cm2)
Συνήθως χρησιμοποιούμε την πιο εύχρηστη density anomaly ή
απλά σίγμα:
σ = ρ – 1000 kg/m3 = σ(S,T,p)
ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ
Καταστατική εξίσωση (ορισμένη από εργαστηριακά πειράματα)
Η καταστατική εξίσωση
δεν είναι γραμμική
Επίδραση θερμοκρασίας
2.
Επίδραση αλατότητας
3.
Επίδραση πίεσης
(see Gill, 1982:
Atmosphere-Ocean
Dynamics)
ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ
1.
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
ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ
T/S diagram
Θ/S diagram
ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ
Η πυκνότητα αυξάνεται με το βάθος (την
πίεση).
Για το λόγο αυτό συχνά χρησιμοποιούμε
τη δυνητική πυκνότητα και την
αντίστοιχη σίγμα-θήτα:
ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ
σθ = ρ0(S,θ,0) – 1000 kg/m3 = σ(S,θ,0)
Η συχνότητα Brunt-Vaisala στην
περιοχή του βορειοδυτικού
Αταλαντικού
(∼ 20 min)
(∼10 hr)
ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ
Πιο συχνά μας ενδιαφέρουν οι
ματαβολές πυκνότητας με το
βάθος (και όχι η ίδια η
πυκνότητα). Η συνηθέστερη
έκφραση που χρησιμοποιούμε
είναι η συχνότητα Brunt-Vaisala:
Επιφανειακή κατανομή πυκνότητας:
σθ: Atlantic Ocean at 25oW
σθ: Pacific Ocean at 150oW
σθ: Indian Ocean at 95oE
Η ταχύητα του ήχου (c) στη θάλασσα είναι περίπου 1500 m/sec.
•Εξαρτάται από την πίεση και τη θερμοκρασία. Υψηλότερη πίεση έχει αποτέλεσμα
μεγαλύτερη ταχύτητα ήχου. Το ίδιο ισχύει και για τη θερμοκρασία.
•Όπου η επιφανειακή θερμοκρασία είναι χαμηλή στην επιφάνεια (πολικές/υπο-πολικές
περιοχές), το μέγιστο της ταχύτητας του ήχου είναι υποεπιφανειακό και το SOFAR
channel βρίσκεται στην επιφάνεια.
TAXYTHTA HXOY
•Σε πολλά σημεία του ωκεανού οι υψηλές θερμοκρασίες στην επιφάνεια και οι μεγάλες
πιέσεις στο βάθος οδηγεί σε μέγιστες ταχύτητες στα άκρα της θαλάσσιας στήλης και
ελάχιστες σε μέσο βάθος. Αυτό ονομάζεται SOFAR channel.
Κατακόρυφη δομή των βασικών χαρακτηριστικών της υδάτινης στήλης
Fb
Θ
S
TAXYTHTA HXOY
C
Τυπική στρωμάτωση του παγκόσμιου ωκεανού
Άλλοι παράμετροι/ίχνη: Οξυγόνο, θρεπτικά, φρέον, .........
Ορισμοί:
•Όλοι οι ορισμοί βασίζονται σε ανάλυση δύο χαρακτηριστικών του
θαλάσσιου νερού (π.χ. T/S, T/O2).
•Οι ορισμοί είναι συνήθως ασαφείς και συχνά στηρίζονται στην
εμπειρία διάγνωσης αποτελεσμάτων
Μάζα νερού: (Μία γραμμή
στο T/S διάγραμμα)
Μία μάζα νερού με ιδαίτερα
χαρακτηριστικά (T, S, O2,
…), που ορίζεται από ένα
διάστημα πυκνοτήτων
(βαθών).
?
ΜΑΖΕΣ ΝΕΡΟΥ
Τύπος νερού: Ένα σημείο
στο T/S διάγραμμα
Ένα πραγματικό
παράδειγμα:
ΜΑΖΕΣ ΝΕΡΟΥ
ΚΡΗΤΙΚΟ
ΠΕΛΑΓΟΣ
ΜΑΖΕΣ ΝΕΡΟΥ
ΜΠΛΕ: equator to Iceland
ΚΟΚΚΙΝΟ: equator to about 30S
ΠΡΑΣΙΝΟ: 30S to South Georgia Island
Potential temperature versus salinity along 20ο and 25οW in the Atlantic Ocean,
from Iceland across the equator to South Georgia Island.
Global deep water potential temperature‐salinity
Worthington, 1982
ΜΑΖΕΣ ΝΕΡΟΥ
4°C
0°C
Pacific Deep
Water
Indian Deep
Antarctic Bottom
Water
Water
North Atlantic
Deep Water
Υδάτινες μάζες: 4 επίπεδα στον παγκόσμιο ωκεανό
(2) Intermediate layer: Labrador Sea Water, Mediterranean
Overflow Water, Red Sea Water, North Pacific Intermediate
Water, Antarctic Intermediate Water
(3) Deep layer: North Atlantic Deep Water, Pacific Deep Water
(aka Common Water), Indian Deep Water, Circumpolar Deep
Water
(4) Bottom layer: Antarctic Bottom Water (aka Lower
Circumpolar Deep Water)
ΜΑΖΕΣ ΝΕΡΟΥ
(1) Upper layer: ventilated thermocline. Includes Mode Waters,
Central Water, subtropical Underwater (salinity maximum
water)
ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΥΔΑΤΙΝΕΣ ΜΑΖΕΣ
ΜΑΖΕΣ ΝΕΡΟΥ
ΕΝΔΙΑΜΕΣΕΣ/ΒΑΘΙΕΣ ΥΔΑΤΙΝΕΣ
ΜΑΖΕΣ
ΜΑΖΕΣ ΝΕΡΟΥ
Low salinity: Labrador Sea
Water, North Pacific
Intermediate Water, Antarctic
Intermediate Water
High salinity: Mediterranean
Water, Red Sea Water
ΥΔΑΤΙΝΕΣ ΜΑΖΕΣ ΒΥΘΟΥ
ΜΑΖΕΣ ΝΕΡΟΥ
Nordic Seas Overflow
waters
Antarctic Bottom Water in
Weddell, Ross Seas and
Adelie Coast
Atlantic Salinity (south-north section)
(1)
(1) surface waters
(ventilated thermocline)
(2) Low salinity
Antarctic intermediate
water
(2)
(3)
(3) High salinity
North Atlantic Deep
Water
(4)
30°S
24°N
(4) Low salinity
Antarctic bottom water
Salinity in the Pacific (150°W)
(1)
(2)
(3)
(4)
Eastern Indian water masses
(1)
(2)
(3)
(3)
(4)
32°S
Higher salinity
- Indian Deep
Water and
Circumpolar
Deep Water
Lower salinity Antarctic
Intermediate and
bottom waters
(Lower
Circumpolar
Deep Water)

Download Report