Φυσική ωκεανογραφία

Η Φυσική Ωκεανογραφία (κλάδος της ωκεανογραφίας) συνδυάζει μετρήσεις και μελέτες των φυσικών παραμέτρων της θάλασσας και τις χωροχρονικές μεταβολές τους. Είναι ο κλάδος της φυσικής επιστήμης που συμβάλλει στη κατανόηση της θάλασσας. Ο προσδιορισμός των φυσικών παραμέτρων έχει ιδιαίτερη σημασία για όλους τους κλάδους της ωκεανογραφίας επηρεάζοντας χημικές ισορροπίες και οικοσυστήματα. Χωρίζεται σε δύο κλάδους: την Περιγραφική Φυσική Ωκεανογραφία (ΠΦΩ) και τη Δυναμική Φυσική Ωκεανογραφία (ΔΦΩ). Η ΠΦΩ μελετά τις φυσικές ιδιότητες του θαλάσσιου νερού (αλατότητα, θερμοκρασία, πυκνότητα, υδάτινοι τύποι και μάζες θαλάσσιου νερού), τις μεθόδους παρατήρησης και πρόγνωσης της θαλάσσιας κυκλοφορίας (όργανα και μέθοδοι μέτρησης των φυσικών παραμέτρων στον ωκεανό, αριθμητικά μοντέλα στη φυσική ωκεανογραφία, βασικές δομές της επιχειρησιακής φυσικής ωκεανογραφίας) και την επιφανειακή και κατά βάθος κατανομή των φυσικών παραμέτρων στον ωκεανό (Γεωγραφία των ωκεανών, κατακόρυφη κατανομή φυσικών παραμέτρων στην υδάτινη στήλη, κατανομή των βασικών φυσικών παραμέτρων στον παγκόσμιο ωκεανό, θερμικό ισοζύγιο και ισοζύγιο καθαρού νερού, κύρια ωκεάνια συστήματα ρευμάτων). Η ΔΦΩ μελετά τις ωκεάνιες κινήσεις. Το ωκεάνιο νερό κινείται με τα κύματα, τα ρεύματα και τις παλίρροιες.

 Η θερμοκρασία (temperature, T) είναι η παράμετρος, η μεταβλητή, του ωκεάνιου νερού που μελετάται με τη μεγαλύτερη συχνότητα από όλες τις υπόλοιπες. Στους ωκεανούς εμφανίζεται ένα πολύ μεγάλο εύρος θερμοκρασιακών τιμών. Στα ρηχά παράκτια τροπικά νερά επικρατούν θερμοκρασίες της τάξης περίπου των 38oC (100oF) ενώ στους πόλους τα νερά είναι σχεδόν παγωμένα. Η τιμή της θερμοκρασίας στα επιφανειακά στρώματα του ωκεάνιου νερού εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος και την εποχή του χρόνου. Μεγαλύτερη ποσότητα θερμοκρασίας ανά μονάδα επιφάνειας δέχεται ο Ισημερινός από ότι οι πόλοι, ενώ μεγαλύτερη ποσότητα θερμότητας δέχεται μια περιοχή το καλοκαίρι από ότι το χειμώνα. Η θάλασσα χαρακτηρίζεται από σημαντική ικανότητα αποθήκευσης θερμότητας. Μεγαλύτερα ποσά θερμότητας ανά μονάδα επιφάνειας απορροφώνται στη περιοχή του ισημερινού από ότι στους πόλους. Η θερμότητα που έχει απορροφηθεί σε μια ωκεάνια περιοχή μεταφέρεται σε άλλες ψυχρότερες. Γενικά, είναι γνωστό ότι η ικανότητα της θάλασσας να αποθηκεύει μεγάλα ποσά θερμότητας διαδραματίζει σημαντικό ρόλο επηρεάζοντας και μεταβάλλοντας τις κλιματικές συνθήκες των ηπείρων. Οι ετήσιες διακυμάνσεις της επιφανειακής θερμοκρασίας των ωκεανών είναι ανάλογες κατά κύριο λόγο των αντίστοιχων διακυμάνσεων της ηλιακής ακτινοβολίας. Εξαρτώνται ακόμη από τους επικρατούντες ανέμους και από την ύπαρξη θαλάσσιων ρευμάτων. Οι κατακόρυφες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας καθορίζονται κατά κύριο λόγο από την ωκεάνια κυκλοφορία, με την εξαίρεση βέβαια των επιφανειακών στρωμάτων στα οποία τον καθοριστικό ρόλο έχουν η ποσότητα της ηλιακής ενέργειας και ο μηχανισμός θερμικής ανταλλαγής ωκεανού-ατμόσφαιρας. Η θερμοκρασιακή κατανομή ως προς το βάθος (το profile των τιμών της θερμοκρασίας ως προς τη μεταβολή του βάθους) φανερώνει την ύπαρξη τριών ζωνών κάτω από την ανώτερη στιβάδα, το εύρος της οποίας κυμαίνεται από 0 έως 5 m. Την επιφανειακή ζώνη από τα περίπου 5 m βάθος έως τα 200 m. Τη ζώνη του θερμοκλινούς, σε βάθη 200-1000 m, όπου η τιμή της θερμοκρασίας παρουσιάζει απότομη μείωση αυξανομένου του βάθους. Τη βαθιά ζώνη νερού κάτω από το θερμοκλινές, όπου συναντώνται σταθερές χαμηλές θερμοκρασίες, με τιμή κατά μέσο όρο μικρότερη των 4oC. Το στρώμα αυτό αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο μέρος (~75%) της υδάτινης μάζας των ωκεανών, γι' αυτό άλλωστε η μέση θερμοκρασία του συνόλου του νερού των ωκεανών είναι περίπου 3,8οC. Αλατότητα (salinity, S) είναι η ολική ποσότητα του διαλυμένου υλικού, σε μέρη επί τοις χιλίοις κατά βάρος σε ένα κιλό θαλάσσιου νερού, όταν όλες οι βρωμιούχες και ιωδιούχες ενώσεις που περιέχονται έχουν αντικατασταθεί από ισοδύναμη ποσότητα χλωριούχων ενώσεων, όλη η ποσότητα των ανθρακικών έχει μετατραπεί σε οδείδια ενώ όλο το οργανικό υλικό έχει οξειδωθεί. Η αλατότητα εκτιμάται σήμερα μετρώντας την ηλεκτρική αγωγιμότητα του ωκεάνιου νερού, μια μέθοδο που έχει ακρίβεια 0,002‰. Η αλατότητα μετράται με κατάλληλο όργανο in situ, το CTD (Salinity-Temperature-Depth). Το όργανο αυτό δίνει την αγωγιμότητα (conductivity), που μετράται με επαγωγική κυψέλη, τη θερμοκρασία (temperature), που μετράται με αντίσταση σύρματος πλατίνας και το βάθος (depth), που δίνεται με μέτρηση της πίεσης. Στα επιφανειακά νερά των ωκεανών, η τιμή της αλατότητας εξαρτάται κύρια από τα εξής φαινόμενα: Την εξάτμιση, που προκαλεί συγκέντρωση των διαλυμένων αλάτων, λόγω απομάκρυνσης μάζας νερού, Τη βροχόπτωση, που έχει αντίθετο αποτέλεσμα από το προηγούμενο φαινόμενο και προκαλεί αραίωση των διαλυμένων αλάτων λόγω προσθήκης νερού μέσω ατμοσφαιρικής κατακρήμνισης, Την ανάμιξη των επιφανειακών στρωμάτων θαλασσινού νερού με τα υποκείμενα θαλάσσια στρώματα.Στις παράκτιες περιοχές, εκτός από τα πιο πάνω φαινόμενα, επιδρά επίσης η προσθήκη γλυκού νερού από τα ποτάμια, ελαττώνοντας τη τιμή της αλατότητας. Στις πολικές περιοχές τόσο ο σχηματισμός πάγων όσο και η τήξη συμβάλλουν στον καθορισμό της αλατότητας. Το γλυκό νερό έχει αλατότητα μικρότερη από 0,5‰. Το νερό με αλατότητα κυμαινόμενη μεταξύ 0,5‰ και 17‰ είναι υφάλμυρο (brackish water). Υφάλμυρα νερά συναντώνται στις εκβολές των ποταμών, δηλαδή εκεί που συναντώνται το γλυκό νερό των ποταμών και το αλμυρό θαλάσσιο νερό. Γενικά η τιμή της αλατότητας στις περισσότερες ωκεάνιες περιοχές κυμαίνεται από 33 μέχρι 37‰, με μια μέση τιμή της τάξης περίπου του 35‰. Οι μέσες αλατότητες των ωκεανών είναι: 34,62‰ στον Ειρηνικό Ωκεανό 34,76‰ στον Ινδικό Ωκεανό 34,90‰ στον Ατλαντικό Ωκεανό 34,72‰ στον Παγκόσμιο Ωκεανό Εξετάζοντας τη κατανομή της πίεσης (pressure) στο ωκεάνιο νερό, λαμβάνεται υπόψη η ύπαρξη του βαρυτικού πεδίου. Συνεπώς, ισχύει ο θεμελιώδης νόμος της Υδροστατικής, σύμφωνα με τον οποίο η πίεση P δεν είναι η ίδια σε όλη τη μάζα του νερού αλλά εξαρτάται από το αντίστοιχο βάθος του σημείου στο οποίο μελετάται. Η πυκνότητα (density) του ωκεάνιου νερού κυμαίνεται από 1,02 έως 1,07 g/cm3. Η τιμή της πυκνότητας εξαρτάται από τις τιμές τριών παραμέτρων, της θερμοκρασίας, της αλατότητας και της πίεσης, με πολύπλοκες μεταξύ τους σχέσεις. Από τις τρεις αυτές παραμέτρους, αποφασιστικότερο ρόλο για τη κατακόρυφη διακύμανση της πυκνότητας παίζει η θερμοκρασία, με αποτέλεσμα τα θερμοκλινή νερά να χαρακτηρίζονται και ως πυκνοκλινή, δηλαδή η περιοχή απότομης πτώσης της θερμοκρασίας αυξανομένου του ύψους της υδάτινης στήλης συμπίπτει με την περιοχή απότομης αύξησης της πυκνότητας. Γενικά, η τιμή της πυκνότητας του ωκεάνιου νερού αυξάνεται όταν αυξάνονται οι τιμές τις αλατότητας και της πίεσης (ή του βάθους) και μειώνεται η τιμή της θερμοκρασίας. Συνήθως τα ψυχρότερα, βαθύτερα και αλμυρότερα ωκεάνια νερά είναι και τα πυκνότερα. Όταν είναι γνωστές με ακρίβεια οι τιμές της αλατότητας, της θερμοκρασίας και της πίεσης, τότε μπορεί να υπολογισθεί η τιμή της πυκνότητας του ωκεάνιου νερού. Τα πυκνά στρώματα νερού, λόγω της βαρυτικής δύναμης και των νόμων της πλευστότητας, τείνουν να βυθίζονται. Αντίθετα, προς την επιφάνεια της υδάτινης στήλης ανεβαίνουν τα ελαφρύτερα στρώματα νερού. Η κατακόρυφη αυτή κίνηση δημιουργεί στρωμάτωση της υδάτινης στήλης, με αύξηση της τιμής της πυκνότητας του ωκεάνιου νερού αυξανομένου του βάθους της υδάτινης στήλης. Η κάθετη κατανομή της πυκνότητας παρουσιάζει τρία στρώματα: Το ανώτερο στρώμα, δηλαδή το επιφανειακό στρώμα νερού πάχους 100 m περίπου, επηρεάζεται από την αιολική δράση και τα προερχόμενα από τους ανέμους κύματα και συνεπώς εμφανίζει καλή ανάμειξη και προφανώς σχετική ομοιομορφία. Το αμέσως κατώτερο στρώμα συμπίπτει με την περιοχή του θερμοκλινούς (απότομη μείωση της θερμοκρασίας) και του αλοκλινούς (έντονη διακύμανση της αλατότητας). Πρόκειται για για την περιοχή που ονομάζεται πυκνοκλινές (pycnocline). Κάτω από το πυκνοκλινές βρίσκονται τα βαθιά, κρύα και πυκνά ωκεάνια νερά, είναι η ζώνη του βυθού (deep zone). Τα κύματα είναι το αποτέλεσμα της διαταραχής της ωκεάνιας επιφάνειας. Τα κύματα είναι κινήσεις του νερού κατά τις οποίες ένα υλικό σημείο του νερού διαγράφει τροχιά με επακόλουθη μετάδοση ενέργειας όχι όμως και μεταφοράς μάζας. Κύματα ρηχών νερών χαρακτηρίζονται εκείνα που κινούνται σε θαλάσσια νερά με βάθη μικρότερα του ενός εικοστού του αντίστοιχου μήκους κύματός τους. Στη κατηγορία αυτή ανήκουν τα κύματα πλησιάζοντας την ακτογραμμή. Τα μεταβατικά κύματα έχουν μήκος κύματος κυμαινόμενο από 2 έως 20 φορές το βάθος της θάλασσας, ενώ η ταχύτητά τους εξαρτάται από το βάθος του νερού και από τη περίοδο του κύματος. Τα κύματα στα βαθιά νερά έχουν σταθερό μήκος κύματος. Καθώς πλησιάζουν σε ρηχές περιοχές η ταχύτητά τους ελαττώνεται, γίνονται υψηλότερα και το σχήμα τους αλλάζει ενώ το μήκος κύματος αρχίζει να μειώνεται. Λόγω του μικρού βάθους της θάλασσας, αρχίζει η βάση του κύματος να έρχεται σε επαφή με το θαλάσσιο πυθμένα και βαθμιαία το κυματικό profile μεταβάλλεται. Η επαφή δημιουργεί τριβή που ελαττώνει τη κυκλική τροχιά κίνησης στη βάση του κύματος ενώ η κορυφή του κύματος συνεχίζει με την ίδια αρχική της ταχύτητα. Κατηγορίες κυμάτων Κύματα λόγω αιολικής δράσης Εσωτερικά κύματα Καταστρεπτικά κύματα (στο είδος αυτό, ανήκουν και τα τσουνάμι) Στάσιμα κύματα Οι παλίρροιες ανάλογα με το μέσο στο οποίο εκδηλώνονται διακρίνονται σε ατμοσφαιρικές παλίρροιες, παλίρροιες του φλοιού της Γης και ωκεάνιες παλίρροιες. Οι ατμοσφαιρικές παλίρροιες και οι παλίρροιες του φλοιού της Γης χαρακτηρίζονται γενικώς ως ανεπαίσθητες. Το ωκεάνιο παλιρροϊκό φαινόμενο περιλαμβάνει τις ωκεάνιες παλίρροιες και τα παλιρροϊκά ρεύματα. Η παλίρροια αφορά τη περιοδική κίνηση, ανύψωση και διαδοχική πτώση της στάθμης της θάλασσας λόγω των ελκτικών δυνάμεων που ασκούν τα διάφορα ουράνια σώματα και κυρίως ο Ήλιος και η Σελήνη στη Γη, καθώς ο πλανήτης Γη περιστρέφεται γύρω από τον Ήλιο και γύρω από τον άξονά του. Η περιοδική μεταβολή της στάθμης της θάλασσας λαμβάνει χώρα συνήθως δύο φορές την ημέρα. Έτσι το νερό ανεβαίνει φθάνοντας σε ένα μέγιστο ύψος που αντιστοιχεί στη παλιρροϊκή πλήμμη και στη συνέχεια κατεβαίνει φθάνοντας σε ένα ελάχιστο επίπεδο που αντιστοιχεί στη παλιρροϊκή ρηχία. Το θαλάσσιο ρεύμα είναι η κίνηση του θαλάσσιου νερού με μεταφορά ύλης προς κάποια κατεύθυνση. Ένα θαλάσσιο ρεύμα χαρακτηρίζεται από την αντίστοιχη ταχύτητα και διεύθυνση. Η ταχύτητα μετράται σε κόμβους (ναυτικά μίλα/h) ή σε μικρότερες μονάδες (ναυτικά μίλια/24h), ενώ σε θεωρητικό επίπεδο χρησιμοποιείται η μονάδα cm/sec. Η κατεύθυνση καθορίζεται σε μοίρες ως προς τον βορρά (αντίθετη δηλαδή από τον καθορισμό των ανέμων που γίνεται με βάση το σημείο του ορίζοντα από το οποίο ξεκινά ο άνεμος). Τα θαλάσσια ρεύματα μελετώνται είτε κατά Euler είτε κατά Lagrange. Σύμφωνα με τον πρώτο τρόπο, ορίζεται ένα συγκεκριμένο σταθερό σημείο στον θαλάσσιο χώρο και στη συνέχεια μελετάται η χρονική μεταβολή της ταχύτητας και διεύθυνσης του θαλάσσιου ρεύματος στο σημείο αυτό. Η μέτρηση γίνεται χρησιμοποιώντας ρευματόμετρα και ρευματογράφους. Σύμφωνα με τον δεύτερο τρόπο, ορίζεται ένα συγκεκριμένο υλικό σημείο που κατά την αρχή των χρόνων (t = t0) κατείχε μια συγκεκριμένη θέση στο χώρο και παρακολουθείται η τροχιά που διαγράφει. Η μέτρηση γίνεται χρησιμοποιώντας κατάλληλα όργανα που δρουν ουσιαστικά ως υποθαλάσσιο πανί. Η κίνησή τους πρέπει να ταυτίζεται με τη ροή του νερού και όχι τη κίνηση του αέρα. Η ταξινόμηση των θαλάσσιων ρευμάτων με κριτήριο τον όγκο του μεταφερόμενου θαλάσσιου νερού, σε φθίνουσα σειρά, είναι: Μεγάλα ωκεάνια ρεύματα (Gulf Stream, ρεύματα Μουσώνων) Παλιρροϊκά ρεύματα Συνοδά ρεύματα μετατόπισης Rip currents Ρεύματα τυρβώδους ροής (turbulence currents) Βαθιά ωκεάνια ρεύματα Ο όρος ωκεάνια κυκλοφορία γενικά περιλαμβάνει φαινόμενα μεγάλης κλίμακας και σχεδόν σταθερά, όπως το Ρεύμα του Κόλπου και φαινόμενα εποχικά που επαναλαμβάνονται από τη μια χρονιά στην άλλη, όπως τα ρεύματα του Ινδικού Ωκεανού στη περιοχή του Ισημερινού. Η ωκεάνια κυκλοφορία στις βαθιές περιοχές οφείλεται σε διαφορετικές τιμές πυκνότητας, λόγω διαφορετικών τιμών της θερμοκρασίας και της αλατότητας των σωμάτων θαλάσσιου νερού. Η ωκεάνια κυκλοφορία λόγω διαφορετικής πυκνότητας είναι η θερμόαλη κυκλοφορία (thermohaline circulation). Ονομάζεται επίσης ωκεάνιος μεταφορικός ιμάντας ή παγκόσμιος μεταφορικός ιμάντας (ocean conveyor belt, global conveyor belt, meriditional overturning circulation, MOC). Η θαλάσσια κυκλοφορία στα επιφανειακά στρώματα νερού εξαρτάται κυρίως από τους ανέμους που πνέουν. Τα ισχυρά επιφανειακά ρεύματα περιορίζονται κυρίως στα ανώτερα 100-200 m του ωκεανού με εξαιρέσεις τα θερμά, στενά και γρήγορα ρεύματα στις δυτικές ακτές των ωκεάνιων λεκανών (western boundary currents) (όπως το Ρεύμα του Κόλπου που ξεκινά από τον Κόλπο του Μεξικού, το Ρεύμα Agulhas στον Νοτιοδυτικό Ινδικό Ωκεανό και το Ρεύμα Kuroshio στον Δυτικό Ειρηνικό Ωκεανό) καθώς επίσης το Παραπόλιο Ρεύμα της Ανταρκτικής, πρέπει να τονισθεί ότι οι αντικυκλώνες στα μέσα πλάτη εντοπίζονται σε βάθη μεγαλύτερα των 1000 m. Η μέση ταχύτητα των επιφανειακών ρευμάτων στον ανοικτό ωκεανό συνήθως είναι μικρότερη των 0,4 knots, με εξαίρεση τα γρήγορα ρεύματα στις δυτικές ακτές των ωκεάνιων λεκανών, όπως το Ρεύμα του Κόλπου και τα Ρεύματα του Ειρηνικού, Ινδικού και Ατλαντικού στη περιοχή του Ισημερινού, με ταχύτητα της τάξης των 2-4 knots. Το ωκεάνιο φαινόμενο Ελ Νίνιο Το ωκεάνιο φαινόμενο Λα Νίνια Τμήμα Ωκεανογραφίας και Θαλασσίων Βιοεπιστημών, Σχολή Περιβάλλοντος, Πανεπιστήμιο Αιγαίου Μιχάλης Καρύδης (Επιμέλεια ελληνικής έκδοσης) (2017). Εισαγωγή στην Ωκεανογραφία (7η Έκδοση). ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΕΣ ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΠΑΡΙΣΙΑΝΟΥ Α.Ε. ISBN 978-960-583-088-5. Streeter - Wylie - Bedford (2009). ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΡΕΥΣΤΩΝ. Εκδόσεις Foundas. ISBN 978-960-330-576-7. Παπαϊωάννου Άγγελος (2002). ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ (ΠΡΩΤΟΣ ΤΟΜΟΣ). Ιδιωτική Έκδοση. ISBN 960-802-812-4. Παπαϊωάννου Άγγελος (2002). ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ (ΔΕΥΤΕΡΟΣ ΤΟΜΟΣ). Ιδιωτική Έκδοση. ISBN 960-8028-11-6. Αυλωνίτης Σταμάτης Α. & Αυλωνίτης Δημήτρης (2006). Μηχανική των ρευστών. Εκδόσεις ΙΩΝ. ISBN 978-960-411-557-0. Θεοδώρου, Α. (2004). Ωκεανογραφία: Εισαγωγή στο Θαλάσσιο Περιβάλλον. Εκδόσεις Σταμούλη Α.Ε. ISBN 978-960-351-540-1. Σακελαρίδου, Φ. Λ. (2007). Ωκεανογραφία. Αθήνα: Εκδόσεις Αθ. Σταμούλης. ISBN 978-960-351-695-8.