ΔΙΑΛΕΞΗ 1“Οι ιδιότητες του θαλασσινού νερου”

Περιεχόμενα:1. Εισαγωγή2. Βασικές ιδιότητες

θαλασσινού νερουi. Αλατότηταii. Θερμοκρασίαiii. Πυκνότητα και

στρωμάτωση3. Άλλες ιδιότητες4. Μάζες νερού και

κατανομή τους

ΦΥΣΙΚ

ΕΣ ΙΔΙΟ

ΤΗΤΕΣ ΤΟ

Υ ΝΕΡΟ

Υ

Dissolved Ion Chemical

Formula and Charge

% by weight of dissolved

ions

% by weight of seawater

Chloride (Cl-) 55.04 1.898 Sodium (Na+) 30.61 1.0556 Sulfate (SO4

2-) 7.68 0.2649 Magnesium (Mg+) 3.69 0.1272

Calcium (Ca2+) 1.16 0.04 Potassium (K+) 1.1 0.038

Bicarbonate (HCO3-) 0.41 0.014

Bromide (Br-) 0.19 0.0065 Boric Acid (H3BO3) 0.07 0.0026 Strontium (Sr2+) 0.04 0.0013 Fluoride (F-) 0.002 0.0001

Total 99.992 3.4482

Οι αναλογίες των βασικών συστατικών είναι παντού ίδια στον ωκεανό !!

Οι αναλογίες των βασικών διαλυμένων συστατικών του ωκεανού

The "law" of constant proportions (Dittmar, 1884)

ΑΛΑΤΟ

ΤΗΤΑ

• 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.

ΑΛΑΤΟ

ΤΗΤΑ

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!).

Μέτρηση αλατότητας:

Evaporate a sample to dryness and weigh the residue. (not practical, especially at sea; not accurate)

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/oo) = 1.80655 × Cl, where Cl is the chlorinity

Since the 1970s, we have used the Practical Salinity Scale.

This is based on the electrical conductivity of seawater rather than a chemical determination. Conductivity C can be measured very precisely.

C = C (S, T, p) → S = S (C, T, p); This is good to 0.001 o/oo or less.

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.

ΑΛΑΤΟ

ΤΗΤΑ

Η θερμοκρασία επηρεάζει την ηλεκτρική αγωγιμότητα του θαλάσσιου νερού:ΑΛΑΤΟ

ΤΗΤΑ

Όργανα μέτρησης αλατότητας:

CTD - SALINOMETER

ΑΛΑΤΟ

ΤΗΤΑ

Επιφανειακή κατανομή αλατότητας:

Salinity: Atlantic Ocean at 25oW

Salinity: Pacific Ocean at 150oW

Salinity: Indian Ocean at 95oE

ΑΛΑΤΟ

ΤΗΤΑΟ υδρολογικός

κύκλος (μαζί με την κυκλοφορία και την ανάμιξη) καθορίζει την κατανομή αλατότητας των ωκεανών.

E = E – P – R

ΘΕΡΜ

ΟΚΡΑ

ΣΙΑΗ 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.

Μονάδες μέτρησης:

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

Όργανα μέτρησης θερμοκρασίας:

• Reversing thermometer

• CTD

• Thermosalinograph

Τυπική κατακόρυφη κατανομή θερμότητας:

Στρώμα ανάμιξη

Θερμοκλινές

Βαθιά νερά

ΘΕΡΜ

ΟΚΡΑ

ΣΙΑ

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

ΘΕΡΜ

ΟΚΡΑ

ΣΙΑ

Η θερμοκρασία καθορίζεται από τη ροή θερμότητας με την ατμόσφαιρα, την κυκλοφορία και ανάμιξη.

ΠΙΕΣΗ

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.

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.

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

Όργανα μέτρησης πίεσης:

•Παλιότερα με διπλό αναστρεφόμενο θερμόμετρο (προστατευόμενο και μη)

•Σήμερα με ηλεκτρονικά όργανα

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

Το βάθος συνήθως δίνεται σε μονάδες πίεσης 1dbar ≈ 1meter βάθους

ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ

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/m3 (CGS: gr/cm2)

Συνήθως χρησιμοποιούμε την πιο εύχρηστη density anomaly ή απλά σίγμα:

σ = ρ – 1000 kg/m3 = σ(S,T,p)

ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ

Η καταστατική εξίσωσηδεν είναι γραμμική

1. Επίδραση θερμοκρασίας

2. Επίδραση αλατότητας

3. Επίδραση πίεσης

(see Gill, 1982: Atmosphere-Ocean Dynamics)

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

Θ/S diagramΠΥΚΝΟΤΗΤΑ

ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ

Η πυκνότητα αυξάνεται με το βάθος (την πίεση).

Για το λόγο αυτό συχνά χρησιμοποιούμε τη δυνητική πυκνότητα και την αντίστοιχη σίγμα-θήτα:

σθ = ρ0(S,θ,0) – 1000 kg/m3 = σ(S,θ,0)

Η συχνότητα Brunt-Vaisala στην περιοχή του βορειοδυτικού Αταλαντικού

(∼10 hr)

(∼ 20 min)

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: Π

ΥΚΝΟΤΗΤΑ

Επιφανειακή κατανομή πυκνότητας:

σθ: Atlantic Ocean at 25oW

σθ: Pacific Ocean at 150oW

σθ: Indian Ocean at 95oE

TAX

YT

HTA

HX

OY

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.

•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.

•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.

TAX

YT

HTA

HX

OY

Κατακόρυφη δομή των βασικών χαρακτηριστικών της υδάτινης στήλης

C Fb

Θ S

Τυπική στρωμάτωση του παγκόσμιου ωκεανού

Άλλοι παράμετροι/ίχνη: Οξυγόνο, θρεπτικά, φρέον, .........

ΜΑΖΕΣ Ν

ΕΡΟ

ΥΟρισμοί:•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

Τύπος νερού: Ένα σημείο στο T/S διάγραμμα

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 Ν

ΕΡΟ

Υ

Ένα πραγματικό παράδειγμα:

ΚΡΗΤΙΚΟ ΠΕΛΑΓΟΣ

Potential temperature versus salinity along 20ο and 25οW in the Atlantic Ocean, from Iceland across the equator to South Georgia Island.

ΜΑΖΕΣ Ν

ΕΡΟ

Υ

ΜΠΛΕ: equator to IcelandΚΟΚΚΙΝΟ: equator to about 30S ΠΡΑΣΙΝΟ: 30S to South Georgia Island

ΜΑΖΕΣ Ν

ΕΡΟ

ΥGlobal deep water potential temperature‐salinity

Worthington, 1982

4°C

0°C

Pacific Deep Water

Antarctic Bottom Water

Indian Deep Water

North Atlantic Deep Water

Υδάτινες μάζες: 4 επίπεδα στον παγκόσμιο ωκεανό

(1) Upper layer: ventilated thermocline. Includes Mode Waters, Central Water, subtropical Underwater (salinity maximum water)

(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 Ν

ΕΡΟ

Υ

ΜΑΖΕΣ Ν

ΕΡΟ

ΥΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ ΥΔΑΤΙΝΕΣ ΜΑΖΕΣ

Low salinity: Labrador Sea Water, North Pacific Intermediate Water, Antarctic Intermediate Water

High salinity: Mediterranean Water, Red Sea Water

ΜΑΖΕΣ Ν

ΕΡΟ

ΥΕΝΔΙΑΜΕΣΕΣ/ΒΑΘΙΕΣ ΥΔΑΤΙΝΕΣ

ΜΑΖΕΣ

ΜΑΖΕΣ Ν

ΕΡΟ

ΥΥΔΑΤΙΝΕΣ ΜΑΖΕΣ ΒΥΘΟΥ

Antarctic Bottom Water in Weddell, Ross Seas and Adelie Coast

Nordic Seas Overflow waters

Atlantic Salinity (south-north section)

30°S 24°N

(3) High salinity

North Atlantic Deep Water

(4) Low salinity Antarctic bottom water

(2) Low salinity Antarctic intermediate water

(1) surface waters (ventilated thermocline)

(1)

(2)

(3)

(4)

Salinity in the Pacific (150°W)

(1)

(2)

(3)

(4)

Eastern Indian water masses

32°S

Lower salinity -Antarctic Intermediate and bottom waters (Lower Circumpolar Deep Water)

Higher salinity - Indian Deep Water and Circumpolar Deep Water

(1)

(2)

(3)

(4)

(3)