Fysikaalinen meritiede

Fysikaalinen meritiede keskittyy meren fysikaalisesti mielenkiintoisiin ominaisuuksiin. Se pyrkii selvittämään vesimassojen kerrostuneisuutta, liikettä ja muita fysikaalisia ilmiöitä, esimerkiksi merijäätä. Fysikaalisen meritieteen osa-alueita ovat myös valon taittumista vedessä tutkiva optinen meritiede ja ääniaaltojen etenemistä tutkiva akustinen meritiede.

Meridynamiikka

Merten dynamiikkaa voidaan lähestyä klassisen mekaniikan avulla. Virtausmekaniikan keskeiset lait, Navierin-Stokesin yhtälöt ovat eräs Newtonin lakien ilmentymä. Maapallon pyörimisen vuoksi yhtälöihin tulee lisäterminä Coriolisvoima, joka kääntää kappaletta kun sen liikettä kuvataan maan mukana pyörivässä koordinaatistossa. Muut keskeiset yhtälöt fysikaalisessa meritietessä ovat jatkuvuusyhtälö ja meriveden tilanyhtälö. Tilanyhtälö kuvaa meriveden tiheyden riippuvuuden lämpötilasta, suolaisuudesa ja paineesta. Navierin-Stokesin yhtälöitä ja jatkuvuusyhtälöitä ratkotaan myös ilmakehän virtauksia mallinnettassa.

Fysikaalisessa meritieteessä käytetty mallintamistekniikka

Meret ovat monimutkainen fysikaalinen systeemi, jota ei voida ratkaista analyyttisesti. Tämän takia joudutaan usein turvautumaan merimalleihin. Jos numeerinen malli kattaa koko maapallon, on kyseessä globaali malli, muutoin rajoitetun alueen malli. Merimallit voivat olla nk. kytkettyjä malleja, joissa vesifaasin virtausmalliin on kytkettynä merijäämalli, aallokkomalli ja joskus ilmakehä-, jäätikkö- ja maamallitkin. Laajimpien mallikokonaisuuksien kohdalla puhutaan ilmastomalleista tai Earth System-malleista, etenkin jos mallisimulaatioiden aikaskaala on useita vuosia. Mallien kytkentä tapahtuu energiaa ja massaa vaihtamalla osamalleista toiseen. Esimerkiksi jäätyminen poistaa vettä vesifaasista, mutta lisää pintaveden suolaisuutta, sillä merivesi jäätyessään merivesi hykii suolan pois. Osamallien väliset takaisinkytkennät tekevät systeemistä kovin vaikeasti ennustettavan. näiden takaisinkytkentöjen merkitys korostuu etenkin merijään peittämillä napamerillä.

Analyyttiset ratkaisut

Vaikka täydellisille navierin-Stokesin yhtälöille ei analyyttistä ratkaisua olekaan, on tilanteita, joissa sen eri termien suuruusluokkaerot johtavat analyytiseen ratkaisuun. Näillä ratkaisuilla on meritieteessä saatu käsitys valtamerten virtausten dynamiikasta.

Ekmanin spiraali

Yksi analyyttisistä ratkaisuista tuottaa nk. Ekmanin spiraalin, joka kuvaa tuulen synnyttämää virtausprofiilia veden pintakerroksessa (normaalisti alle 100 metrin syvyydessä. Taikka merenpohjalähteistä virtausta. Ekmanin yhtälössä Coriolis-termin tasapainottaa kikatermi. Virtausprofiilista voidaan edelleen integroida veden kulkeutuminen eli nk. Ekman-transportti. Ekman-transportti on tärkeä koko meren kiertoliikkeen kannalta, sillä jatkuvuusyhtälön mukaisesti tuulen pintakerroksesta kuljettaman veden korvaa syvältä kumpuava vesi. Edelleen pohjalla Ekmanin kulkeutumista johtuu vastaava merimassojen vaihto. Merten kiertoliike ja 
vesimassojen sekoittuminen johtuu pääosin siis tuulen ja vuorovesien mekaanisesta energian syötöstä ja esimerkiksi tiheyserojen aiheuttama sekoittumisen merkitys on niille toista kertaluokkaa. Tämä sekoittuminen eli termohaliininen kierto on kuitenkin paikallisesti merkittävää.

Geostrofinen tasapaino

Toinen tunnettu analyyttinen ratkaisu saadaan tilanteesta, jossa Coriolis tasapainottaa painegradienttitermin. Tämä on geostrofinen tasapaino ja kuvaa geostrofisia virtauksia keskellä, syvällä meressä. Ilmakehässä vastaavaa tasapainoa kutsutaan geostrofiseksi tuuleksi.

Inertiavirtaus

Edelleen analyyttinen ratkaisu Navierin-Stokesin yhtälölle saadaan, kun ulkoisia pakotteita (yleensä tuuli) ei vaikuta virtaukseen, jolloin hidastuvuuden tasapainottavat Coriolis, painegradientti ja/tai kitka. Tässä tilanteessa syntyvää virtausta kutsutaan inertiavirtaukseksi. Molemmat analyyttiset erikoistapaukset, Ekmanin spiraali ja inertiavirtaus on kyetty luonnossa havaitsemaan.

Meritiede verrattuna ilmatieteeseen

Vaikka meritieteessä ja ilmatieteessä ratkotaan samoja yhtälöitä, ovat tapahtumien suuruusluokat ja aikaskaala hyvin erilaisia. Toistaiseksi vastaavaa synoptisten havaintojen verkostoa kuin ilmatieteelle ei meritieteelle ole. Tämä vähentää paljon tietämystämme merten virtauksista ja kerrostuneisuudesta. Myös tulevien muutosten ennustaminen vaikeutuu.