Физичка океанографија

Физичката океанографија — проучување на физичките услови и физичките процеси во океанот, особено движењата и физичките својства на океанските води.

Светска батиметрија на океаните.

Физичката океанографија е еден од неколкуте поддомени на кои е поделена океанографијата. Други вклучуваат биолошка, хемиска и геолошка океанографија.

Физичката океанографија може да се подели на описна и динамичка физичка океанографија.

Описната физичка океанографија се обидува да го истражува океанот преку набљудувања и сложени нумерички модели, кои ги опишуваат движењата на течноста што е можно попрецизно.

Динамичната физичка океанографија се фокусира првенствено на процесите кои управуваат со движењето на течностите со акцент на теоретските истражувања и нумеричките модели. Овие се дел од големото поле на геофизичка флуидна динамика (ГФТ) што е споделено заедно со метеорологијата. ГФТе подполе на хидродинамиката што ги опишува тековите што се случуваат на просторни и временски размери кои се под големо влијание на Кориолисовата сила.

Физичко поставување

Перспективен поглед на морското дно на Атлантскиот Океан и Карипското Море. Виолетовото морско дно во центарот на погледот е ровот Порторико.

Приближно 97% од водата на планетата е во нејзините океани, а океаните се извор на огромното мнозинство на водена пареа што се кондензира во атмосферата и паѓа како дожд или снег на континентите. Огромниот топлински капацитет на океаните ја ублажува климата на планетата, а нејзината апсорпција на различни гасови влијае на составот на атмосферата. Влијанието на океанот се протега дури и на составот на вулканските карпи преку метаморфизмот на морското дно, како и на оној на вулканските гасови и магми создадени во зоните на подвлекување.

Од нивото на морето, океаните се многу подлабоки отколку што се високи континентите; испитувањето на хипсографската крива на Земјата покажува дека просечната надморска височина на Земјините маси е само 840 метри, додека просечната длабочина на океанот е 3,800 метри. Иако оваа очигледно несовпаѓање е големо, и за копното и за морето, соодветните екстреми како што се планините и рововите се ретки.

Површина, волумен плус просечна и максимална длабочина на океаните (со исклучок на соседните мориња)

Тело	Површина (10 6 km 2)	Волумен (10 6 km³)	Средна длабочина (m)	Максимум (м)
Тихи Океан	165,2	707,6	4282	-11033
Атлантски Океан	82.4	323,6	3926	-8605
Индиски Океан	73.4	291,0	3963	-8047
Јужен Океан	20.3			-7235
Северноледен Океан	14.1		1038
Карипско Море	2.8			-7686

Температура, соленост и густина

Светски океански атлас

Бидејќи огромното мнозинство од волуменот на светскиот океан е длабока вода, просечната температура на морската вода е ниска; приближно 75% од волуменот на океанот има температура од 0° – 5 °C (Пинет 1996). Истиот процент паѓа во опсегот на соленоста помеѓу 34 и 35 ppt (3,4-3,5%) (Пинет 1996). Сепак, сè уште има доста варијации. Температурите на површината може да се движат од под нулата во близина на половите до 35 °C во ограничени тропски мориња, додека соленоста може да варира од 10 до 41 ppt (1,0-4,1%).

Вертикалната структура на температурата може да се подели на три основни слоја, површински мешан слој, каде што наклоните се ниски, термоклин каде градиентите се високи и слабо стратификувана бездна.

Во однос на температурата, слоевите на океанот се многу зависни од географската ширина; термоклинот е изразен во тропските предели, но не постои во поларните води (Маршек, 2001). Халоклинот обично лежи во близина на површината, каде што испарувањето ја зголемува соленоста во тропските предели или топената вода ја разредува во поларните региони. Овие варијации на соленоста и температурата со длабочината ја менуваат густината на морската вода, создавајќи пикноклин.

Циркулација

Термохалинска циркулација

Енергијата за океанската циркулација (и за атмосферската циркулација) доаѓа од сончевото зрачење и гравитациската енергија од сонцето и месечината. Количината на сончева светлина апсорбирана на површината силно варира во зависност од географската ширина, поголема на екваторот отколку на половите, а тоа предизвикува движење на течност и во атмосферата и во океанот што делува за редистрибуција на топлина од екваторот кон половите, а со тоа ја намалува температурата која би постоела во отсуство на движење на течност. Можеби три четвртини од оваа топлина се носи во атмосферата; остатокот се носи во океанот.

Атмосферата се загрева одоздола, што доведува до конвекција, чиј најголем израз е Хедлиевата циркулација. Спротивно на тоа, океанот се загрева одозгора, што има тенденција да ја потисне конвекцијата. Наместо тоа, длабоката океанска вода се формира во поларните региони каде ладните солени води тонат во прилично ограничени области. Ова е почеток на термохалинската циркулација.

Океанските струи во голема мера се поттикнати од стресот на површинскиот ветер; оттука големата атмосферска циркулација е важна за разбирање на океанската циркулација. Хедлиевата циркулација води до источни ветрови во тропските предели и антипасати во средните географски широчини. Ова води до бавен проток кон екваторот низ поголемиот дел од суптропскиот океански слив (Свердрупова рамнотежа). Повратниот тек се јавува во интензивна, тесна, западна гранична струја. Како и атмосферата, океанот е многу поширок отколку што е длабок, и оттука хоризонталното движење е генерално многу побрзо од вертикалното движење. Во јужната полутопка постои континуиран океански појас, па оттука и западните делови со средна географска ширина ја присилуваат силната антарктичка кружна струја. На северната полутопка копнените маси го спречуваат тоа и циркулацијата на океанот е поделена на помали океански витли во басените на Атлантикот и Тихиот Океан.

Кориолисов ефект

Кориолисовиот ефект резултира со отклонување на протокот на течност (десно во северната полутопка и лево во јужната полутопка). Ова има длабоки ефекти врз протокот на океаните. Особено тоа значи дека протокот оди околу системите со висок и низок притисок, дозволувајќи им да опстојуваат долги временски периоди. Како резултат на тоа, малите варијации во притисокот можат да произведат мерливи струи. Наклон од еден дел во милион во висина на морската површина, на пример, ќе резултира со струја од 10 cm/s на средни географски широчини. Фактот дека Кориолисовиот ефект е најголем на половите и слаб на екваторот резултира со остри, релативно стабилни западни гранични струи кои се отсутни на источните граници.

Екманов пренос

Екмановиот пренос резултира со нето пренос на површинските води 90 степени десно од ветрот на северната полутопка и 90 степени лево од ветрот на јужната полутопка. Како што ветрот дува низ површината на океанот, тој „се зафаќа“ за тенок слој од површинската вода. За возврат, тој тенок лист вода ја пренесува енергијата на движење на тенкиот слој вода под него, итн. Меѓутоа, поради Кориолисовиот ефект, насоката на движење на слоевите на водата полека се поместува сè подалеку и подалеку надесно како што се подлабоко во северната полутопка и налево во јужната полутопка. Во повеќето случаи, самиот долен слој на вода погоден од ветрот е на длабочина од 100 m – 150 m и се движи околу 180 степени, сосема спротивно од правецот во кој дува ветрот. Севкупно, нето преносот на вода би бил 90 степени од првобитната насока на ветрот.

Лангмуирово кружење

Лангмуировото кружење резултира со појава на тенки, видливи ленти. Ако дува ветер со повеќе од 3 м s⁻¹, може да создаде паралелни бранови кои наизменично се креваат и спуштаат околу 5-300 метри. Во зоните на конвергенција се акумулираат остатоци, пена и алги, додека во зоните на дивергенција планктоните се фаќаат и се носат на површината. Ако има многу планктони во зоната на дивергенција, рибите често се привлекуваат да се хранат со нив.

Океанско-атмосферски интерфејс

Ураганот Изабел источно од Бахамите на 15 септември 2003 година

Океанско-атмосферскиот интерфејс во океанот и атмосферата разменуваат флукс на топлина, влага и импулс.

Топлина

Важните термини за топлина на површината се осетливиот топлински флукс, латентниот топлински флукс, дојдовното сончево зрачење и рамнотежата на долгите бранови (инфрацрвени). Општо земено, тропските океани ќе имаат тенденција да покажат нето добивка на топлина, а поларните океани нето загуба, резултат на нето пренос на енергија на половите во океаните.

Големиот топлински капацитет на океаните ја ублажува климата на областите во непосредна близина на океаните, што доведува до поморска клима на таквите локации. Ова може да биде резултат на складирање на топлина во лето и ослободување во зима; или за преносот на топлина од потопли локации: особено забележлив пример за тоа е Западна Европа, која барем делумно се загрева со северноатланскиот нанос.

Импулс

Површинските ветрови имаат тенденција да бидат од ред метри во секунда; океански струи од ред сантиметри во секунда. Оттука, од гледна точка на атмосферата, океанот може да се смета за делотворно неподвижен; од гледна точка на океанот, атмосферата наметнува значителен напон на ветерот на неговата површина, а тоа предизвикува големи струи во океанот.

Преку напонот на ветрот, ветрот генерира површински бранови на океанот; подолгите бранови имаат фазна брзина која се стреми кон брзината на ветерот. Импулсот на површинските ветрови се пренесува во енергетскиот тек од брановите на површината на океанот. Зголемената грапавост на површината на океанот, со присуство на бранови, го менува ветрот во близина на површината.

Влага

Океанот може да добие влага од врнежите или да ја изгуби преку испарување. Испарувачките загуби го оставаат океанот посолен; Средоземното Море и Персискиот Залив на пример имаат силна испарувачка загуба; добиениот столб од густа солена вода може да се проследи низ Гибралтарскиот Проток во Атлантскиот Океан. Порано, се верувало дека испарувањето / врнежите се главен двигател на океанските струи; денес се знае дека е само многу помал фактор.

Планетарни бранови

Келвински бранови

Келвиновиот бран е секој прогресивен бран што се канализира помеѓу две граници или спротивставени сили (обично помеѓу Кориолисовата сила и крајбрежјето или екваторот). Постојат два вида, крајбрежни и екваторски. Келвиновите бранови се водени од гравитацијата и не се дисперзивни. Ова значи дека Келвиновите бранови можат да ја задржат својата форма и насока во долги временски периоди. Тие обично се создаваат со ненадејно поместување на ветрот, како што е промената на трговските ветрови на почетокот на Ел Нињо-Јужна осцилација.

Крајбрежните Келвинови бранови ги следат бреговите и секогаш ќе се шират во насока спротивно од стрелките на часовникот на северната полутопка (со крајбрежјето десно од насоката на патување) и во насока на стрелките на часовникот на јужната полутопка.

Екваторските Келвинови бранови се шират на исток во северната и јужната полутопка, користејќи го екваторот како водич.

Познато е дека келвиновите бранови имаат многу големи брзини, обично околу 2-3 метри во секунда. Тие имаат бранови должини од илјадници километри и замав во десетици метри.

Росбиеви бранови

Росбиевите брановите или планетарните бранови се огромни, бавни бранови генерирани во тропосферата од температурните разлики помеѓу океанот и континентите. Нивната главна сила за враќање е промената на Кориолисовата сила со географската ширина. Нивните брановни замави се обично во десетици метри и многу големи бранови должини. Тие обично се наоѓаат на ниски или средни географски широчини.

Постојат два вида Росбиеви бранови, баротропни и бароклинични. Баротропните бранови имаат најголема брзина и не се разликуваат вертикално. Бароклиничните се многу побавни.

Посебната идентификациона одлика на е дека фазната брзина на секој поединечен бран секогаш има компонента кон запад, но групната брзина може да биде во која било насока. Обично пократките Росбиеви бранови имаат брзина на група кон исток, а подолгите имаат брзина на група кон запад.

Променливост на климата

Декември 1997 година графикон за аномалија на температурата на површината на океанот [°C] за време на последниот силен Ел Нињо

Интеракцијата на океанската циркулација, која служи како тип на топлинска пумпа, и биолошките ефекти како што е концентрацијата на јаглерод диоксид може да резултира со глобални климатски промени на временска скала од децении. Познати климатски осцилации кои произлегуваат од овие интеракции, ги вклучуваат Тихоокеанската декадна осцилација, северноатлантската осцилација и арктичката осцилација. Океанскиот процес на термохалинска циркулација е значајна компонента на прераспределбата на топлината низ целиот свет, а промените во оваа кружење може да имаат големо влијание врз климата.

Ова е споен океански / атмосферски бран што кружи низ Јужниот Океан на секои осум години. Бидејќи се работи за бран-2 феномен (постојат два врва и две корита во кругот на географската ширина) на секоја фиксна точка во вселената се гледа сигнал со период од четири години. Бранот се движи кон исток во правец на Антарктичката околуполарна струја.

Океански струи

Меѓу најважните океански струи се:

• Антарктичка околуполарна струја
• Длабок океан (управуван од густината)
• Западни гранични струи
  • Голфска струја
  • Курошио струја
  • Лабрадорска струја
  • Ојашио струја
  • Агуласка струја
  • Бразилска струја
  • Источноавстралиска струја
• Источни гранични струи
  • Калифорниска струја
  • Канарска струја
  • Перуанска струја
  • Бенгуелска струја

Антарктичка струја

Океанското тело што го опкружува Антарктикот моментално е единственото континуирано водно тело каде што има широк опсег на отворени води. Ги поврзува Атлантскиот, Тихиот и Индискиот океан и обезбедува непрекинато протегање на преовладувачките западни ветрови за значително зголемување на замавот на брановите. Општо е прифатено дека овие ветрови кои преовладуваат се првенствено одговорни за циркуполарниот пренос на струја. Оваа струја сега се смета дека варира со времето, можеби на осцилаторен начин.

Длабок океан

Во Норвешкото Море доминантно е испарливото ладење, а водната маса што тоне, длабоката вода на северниот дел на Атлантикот, го исполнува сливот и се излева на југ низ процепите во подморските прагови што ги поврзуваат Гренланд, Исланд и Британија. Потоа тече по западната граница на Атлантикот, а дел од протокот се движи кон исток по екваторот, а потоа кон полот во океанските басени. Длабоката вода на северниот дел на Атлантикоте внесена во околуполарната струја и може да се следи во индискиот и тихоокеанскиот басен. Протокот од басенот на Северноледениот Океан во Тихиот Океан, сепак, е блокиран од тесните плитки на Беринговиот теснец.

Западна граница

Идеализиран суптропски океански слив принуден од ветрови кои кружат околу системи со висок притисок (антициклонски) како што е височината на Азорите и Бермудите, развива кружна циркулација со бавни постојани текови кон екваторот во внатрешноста. Како што било дискутирано од Хенри Стомел, овие текови се избалансирани во регионот на западната граница, каде што брзо течат кон половите познати како западна гранична струја. Протокот во вистинскиот океан е покомплексен, но голфската струја, Агуласката и Курошио струја се примери за такви струи. Тие се тесни (приближно 100 km преку) и брзи (приближно 1,5 метри во секунда).

Во тропските и поларните локации, на пр. струите на Источен Гренланд и Лабрадор, во Атлантикот и Ојашио, се јавуваат струи кон западната граница кон екваторот. Тие се принудени од ветровите да кружат околу низок притисок (циклонски).

Голфска струја

Голфската струја, заедно со нејзиното северно проширување, Северноатлантската струја, е моќна, топла и брза струја на Атлантскиот Океан што потекнува од Мексиканскиот Залив, излегува низ теснецот на Флорида и ги следи источните брегови на САД и Њуфаундленд на североисток пред да го премине Атлантскиот Океан.

Курошио

Струјата Курошио е океанска струја која се наоѓа во западниот Тихи Океан во близина на источниот брег на Тајван и тече североисточно покрај Јапонија, каде што се спојува со источниот нанос на северниот Тихи Океан. Тоа е аналогно на Голфската струја во Атлантскиот Океан, пренесувајќи топла, тропска вода на север кон поларниот регион.

Топлински тек

Складирање на топлина

Океанскиот топлински тек е турбулентен и комплексен систем кој користи атмосферски мерни техники како што е вртоложната коваријансата за мерење на брзината на пренос на топлина изразена во единица или петавати. Топлинскиот тек е проток на енергија по единица површина по единица време. Поголемиот дел од складирањето на топлина на Земјата е во нејзините мориња со помали фракции од преносот на топлина во процеси како што се испарување, зрачење, дифузија или апсорпција во морското дно. Поголемиот дел од океанскиот топлински тек е преку адвекција или движење на океанските струи. На пример, поголемиот дел од движењето на топла вода во јужниот дел на Атлантикот се смета дека потекнува од Индискиот Океан. Друг пример на адвекција е неекваторското загревање на Тихиот Океан, кое произлегува од подземните процеси поврзани со атмосферските антиклинали. Неодамнешните набљудувања на затоплувањето на водата на дното на Антарктикот во Јужниот Океан ги загрижуваат океанските научници бидејќи промените на водата на дното ќе влијаат на струите, хранливите материи и биотата на друго место. Меѓународната свест за глобалното затоплување го фокусирало научното истражување на оваа тема од создавањето на Меѓувладиниот панел за климатски промени во 1988 година. Подобреното набљудување на океаните, инструментацијата, теоријата и финансирањето го зголемиле научното известување за регионалните и глобалните прашања поврзани со топлината.

Промена на нивото на морето

Мерачите на плима и сателитската височина сугерираат зголемување на нивото на морето за 1,5–3 mm/год во изминатите 100 години.

Меѓувладиниот панел за климатски промени предвидува дека до 2081-2100 година, глобалното затоплување ќе доведе до пораст на нивото на морето од 260 до 820 мм.

Брзи варијации

Плимата и осеката

Заливот Фанди е залив кој се наоѓа на брегот на Атлантскиот Океан на Северна Америка, на североисточниот крај на Мејнскиот Залив помеѓу провинциите Њу Бранзвик и Нова Шкотска.

Подемот и падот на океаните поради плимните ефекти е клучно влијание врз крајбрежните области. Плимата и осеката на океаните на планетата Земја се создадени од гравитациските ефекти на Сонцето и Месечината. Плимите произведени од овие две тела се приближно споредливи по магнитуда, но орбиталното движење на Месечината резултира со плимни обрасци кои варираат во текот на еден месец.

Одливот и протокот на плимата произведуваат циклична струја долж брегот, а јачината на оваа струја може да биде доста драматична по тесните утоки. Влезните плими, исто така, можат да создадат плимна дупка долж река или тесен залив бидејќи протокот на вода против струјата резултира со бран на површината.

Tide and Current (Вибан,1992) јасно го илустрира влијанието на овие природни циклуси врз начинот на живот и егзистенцијата на домородните Хавајци кои се грижат за крајбрежните рибници. Aia ke ola ka hana што значи... Животот е во трудот.

Плимната резонанца се јавува во Заливот Фанди бидејќи времето потребно за голем бран да патува од устата на заливот до спротивниот крај, потоа да се рефлектира и да патува назад до устата на заливот се совпаѓа со плимниот ритам.

Како што површинската плима осцилира над топографијата, како што се потопени морски планини или гребени, таа генерира внатрешни бранови на плимата и осеката, кои се познати како внатрешни плими.

Цунами

Серија површински бранови може да се генерираат поради големи поместувања на океанската вода. Тие можат да бидат предизвикани од подморски одрони, деформации на морското дно поради земјотреси или удар на голем метеорит.

Брановите можат да патуваат со брзина до неколку стотици км/час низ површината на океанот, но во средината на океанот тие едвај се забележуваат со бранови должини кои опфаќаат стотици километри.

Цунамито, првично наречено плимни бранови, биле преименувани затоа што не се поврзани со плимата и осеката. Тие се сметаат за бранови со плитка вода, или бранови во вода со длабочина помала од 1/20 од нивната бранова должина. Цунамито има многу големи периоди, големи брзини и големи висини на бранови.

Примарното влијание на овие бранови е долж крајбрежјето, бидејќи големи количини на океанска вода циклично се придвижуваат во внатрешноста на земјата, а потоа се извлекуваат кон морето. Ова може да резултира со значителни модификации на крајбрежните региони каде брановите удираат со доволно енергија.

Цунамито што се случило во заливот Литуја, Алјаска на 9 јули 1958 година било високо 520 метри и е најголемото цунами измерено досега, речиси 90 метри повисок од кулата Вилис во Чикаго и околу 110 метри повисоко од поранешниот Светски трговски центар во Њујорк.

Површински бранови

Ветерот генерира површински бранови на океанот, кои имаат големо влијание врз морските структури, бродовите, ерозијата и седиментацијата на крајбрежјето, како и пристаништата. По нивното создавање од ветрот, површинските бранови на океанот можат да патуваат на долги растојанија.

Литература

• Gill, Adrian E. (1982). Atmosphere-Ocean Dynamics. San Diego: Academic Press. ISBN 0-12-283520-4.
• Samelson, R. M. (2011) The Theory of Large-Scale Ocean Circulation. Cambridge: Cambridge University Press. doi: 10.1017/CBO9780511736605.
• Maury, Matthew F. (1855). The Physical Geography of the Seas and Its Meteorology.
• Stewart, Robert H. (2007). Introduction to Physical Oceanography (PDF). College Station: Texas A&M University. OCLC 169907785.
• Wyban, Carol Araki (1992). Tide and Current: Fishponds of Hawaiʻi. Honolulu: University of Hawaiʻi Press. ISBN 0-8248-1396-0.

Надворешни врски

• Океанографија на НАСА
• Океанско движење и површински струи
• Светот на океанот (дигитална книга)
• Национална океанографска и атмосферска администрација Архивирано на 24 април 2013 г.
• Универзитетот-Национален океанографски лабораториски систем
• Центар за катастрофи на Тихиот Океан
• Тихоокеански музеј за цунами Хило, Хаваи
• Наука за опасностите од цунами Архивирано на 7 февруари 2006 г. (журнал)
• NEMO академски софтвер за океанографија
• [1] Историја на определување на соленоста