S16.1 Vliv prostoru a časových měřítek na odběr vzorků a přístrojové vybavení

Časová a prostorová měřítka fyzikálních oceánografických jevů byla shrnuta v kapitole 1 (obrázek 1.2). Požadavky na sběr dat pro studium pohybů s tolika časovými a prostorovými změnami jsou náročné a vyžadují širokou škálu metod odběru vzorků. Jak je popsáno v kapitole 6, studie v téměř každém měřítku vyžadují průměrování nebo filtrování, aby se odstranily časové a prostorové škály, které nejsou předmětem zájmu. Není však možné měřit všechna prostorová a časová měřítka, aby bylo možné vytvořit dokonalé průměry a statistiky. Proto musí pozorovací oceánografové chápat zdroje chyb a nejistot, které mohou být způsobeny přístrojovými nebo vzorkovacími omezeními nebo signály na různých frekvencích a vlnových délkách.

Například tradiční hlubinné oceánografické profily (oddíl S16.4) byly a jsou nadále vytvářeny z výzkumných lodí za účelem studia velmi rozsáhlých prostorových a časových měřítek oceánské cirkulace a rozložení vlastností. Ty zůstávají jediným způsobem, jak měřit hluboký oceán s vysokou přesností, a jediným způsobem, jak provádět většinu chemických měření. Hlubinná oceánografická stanice může pracovat až tři hodiny a průřez oceánem může trvat až dva měsíce, což představuje omezení pro interpretaci. Jednotlivé, od sebe značně vzdálené profily nelze použít například ke studiu přílivu a odlivu, vnitřního vlnění nebo vírů, ale tyto a další pohyby menšího rozsahu ovlivňují měření jednotlivých stanic. Existují však užitečné způsoby, jak data zpracovat a analyzovat tak, aby mohla být použita ke studiu velkého prostoru a časových měřítek, které nás zajímají.

Jako druhý příklad lze uvést družicové výškoměry (oddíl S16.9.9), které měří výšku hladiny oceánu, přičemž nad každým bodem na hladině oceánu proletí jednou za týden nebo dva. Výška hladiny závisí na několika věcech: na cirkulaci oceánu, povrchových vlnách a přílivu a odlivu, rozpínání a smršťování v důsledku většího či menšího množství tepla nebo soli ve vodě a na nerovnoměrném rozložení hmoty v zemském tělese (změny geoidu). Geoid, který se nemění v čase, dominuje výškovému signálu. Proto jsou nejužitečnější časově závislá altimetrická měření, která poskytují významné informace o časově závislé „mezoměřítkové“ (desítky až stovky kilometrů) a velkoškálové časové závislosti výšky mořské hladiny, která souvisí se změnami velkoškálové cirkulace, proměnlivostí klimatu, jako je El Niño, a globálním vzestupem mořské hladiny.

Interpretace altimetrických měření v přítomnosti teplotní expanze vyžaduje informace o struktuře teploty a slanosti pod povrchem, které družice nevidí. Proto se měření in situ kombinují s měřením výšky. Vzhledem k tomu, že různé datové soubory jsou nesourodé, pokud jde o četnost a umístění odběru vzorků, představuje tato kombinace značné problémy při analýze dat, které se nejnověji řeší pomocí asimilace dat (oddíl 6.3.4). A jako třetí příklad z výškoměru lze uvést, že mnohadenní intervaly mezi průlety družic nad danou lokalitou znamenají, že kratší časové úseky, způsobené například přílivem a odlivem, jsou při každém průletu družice měřeny v jinou dobu jejich cyklu. Tento „aliasing“ vytváří falešnou dlouhou časovou škálu (oddíl 6.5.3). Při volbě oběžných frekvencí družic a interpretaci dat je třeba věnovat velkou pozornost tomu, aby se s těmito kratšími časovými měřítky správně zacházelo a aby se co nejvíce odstranily z delších časových měřítek.

Pokud se vrátíme k pozorování cirkulace v největším měřítku od horní části oceánu ke dnu, což je hlavní náplní tohoto textu, mohlo by se zdát, že nejlepším přístupem by bylo použití mnoha přístrojů, které měří proudy přímo. Na počátku jednadvacátého století byl skutečně zahájen celosvětový program (Argo, popsaný v oddíle S16.5.2) pro nepřetržité sledování rychlosti proudění ve vodním sloupci pomocí relativně levných podpovrchových plováků, které sledují podpovrchové proudy (většinou v jedné hloubce) a v pravidelných intervalech podávají zprávy satelitům. Tento program již způsobil revoluci v pozorování oceánského nitra, a to především díky profilům teploty a salinity, které se sbírají při každé cestě k hladině a které byly standardizovány v desetidenních intervalech; údaje o rychlosti byly využívány méně. Stejného cíle na mořské hladině dosahuje globální rozmístění povrchových drifterů (oddíl S16.5.1). Tyto metody odběru vzorků v rámci celého oceánu nebyly možné před začátkem globální satelitní komunikace a stále je neúměrně nákladné přístrojově vybavit oceán ve všech hloubkách. Proudoměry, mechanické i akustické, měří přímo proudění v daném bodě po dobu několika let; byly vyvinuty a široce nasazeny po roce 1950. Proudoměry poskytují informace o rychlosti (rychlosti a směru) vody pouze v blízkosti místa (v čase a prostoru) samotného přístroje; zkušenosti ukazují, že na malých vzdálenostech i v malých časových intervalech může docházet k velkým změnám rychlosti. Kvůli těmto prostorovým měřítkům a kvůli vysokým nákladům na rozmístění měřičů proudu se ukázalo, že není možné provádět plošné měření v oceánu. Proudoměry se nyní používají především v přesně vymezených proudech o šířce maximálně několik set kilometrů nebo ve specifických cílových oblastech, aby bylo možné odebírat vzorky všech časových škál (celého časového spektra) v dané oblasti, někdy i po mnoho let. Všechna přímá měření podpovrchových proudů poskytla jen malou část našich pozorovaných znalostí o oceánské cirkulaci. Na druhou stranu tam, kde byla použita, poskytují neocenitelné informace; například kvantifikují celkový transport a změny silných, relativně úzkých proudů, jako je Golfský proud nebo Kurošio.

Při nedostatku přímých měření oceánských proudů používají oceánografové studující cirkulaci nepřímé metody. Jednou z nejstarších, stále velmi často používaných, je geostrofická neboli dynamická metoda, která vztahuje horizontální rozložení tlaku k horizontálním proudům (oddíl 7.6). Většina proudů s časovým rozsahem delším než několik dní (kromě rovníku) je v geostrofické rovnováze, což je rovnováha mezi horizontální změnou (gradientem) tlaku a Coriolisovou silou. Geostrofická rychlost je kolmá na směr tlakového gradientu způsobeného rotací Země. Rozložení tlaku závisí na výšce mořské hladiny a také na vertikálním profilu hustoty mořské vody v dané zeměpisné šířce a délce. Hlavní metodou mapování oceánské cirkulace tak bylo měření rozložení teploty a salinity oceánu. Poté se vypočítá rozložení hustoty, z něhož se vypočítá horizontální tlakový gradient v každé hloubce, přičemž se předpokládá tlakový gradient v jedné hloubce (která může být vzhledem k výšce hladiny na hladině). Poté se vypočítají geostrofické proudy.

Krok odhadu tlakového gradientu v jedné hloubce je netriviální vzhledem k obecnému nedostatku pozorování rozložených rychlostí. (Rozmístění podpovrchových plováků, které začalo v 90. letech 20. století, bylo nejprve motivováno zajištěním takového rychlostního pole v jedné hloubce). Tradiční přístup spočíval v požadavku zachování hmotnosti v oceánských oblastech a následném kvalifikovaném odhadu rozložení rychlostí v dané hloubce na základě mapování rozložení vlastností v oceánu. „Inverzní metody“ (zavedené, ale nerozvinuté v oddíle 6.3.4) formalizují použití omezení založených na zachování hmotnosti a na rozložení vlastností, které jsou ovlivněny mícháním.

Některé vlastnosti vody jsou také inherentními sledovači času (oddíly 3.6 a 4.7). Patří mezi ně stopovače, které jsou biologicky aktivní a obnovují se na určitých místech. Například obsah kyslíku je nasycen kontaktem s atmosférou v povrchové vrstvě a poté je spotřebován bakteriemi ve vodním sloupci, čímž se získá přibližné stáří dané vodní parcely. Vestavěné hodiny radioaktivního rozpadu v přechodných stopovačích nabízejí větší naději, protože jsou nezávislé na fyzikálním a biologickém charakteru prostředí. Antropogenní stopovače, jako jsou chlorofluorouhlovodíky (CFC), byly do zemského systému vneseny lidstvem. Pokud je známa historie jejich uvolňování do životního prostředí, jako je tomu v případě freonů, pak jsou užitečnými stopovači cest, kterými se povrchové oceánské vody ubírají při svém pohybu do nitra oceánu

.

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna.