S16.1 Indflydelse af rum- og tidsskalaer på prøvetagning og instrumentering

Tids- og rumskalaerne for fysiske oceanografiske fænomener blev opsummeret i kapitel 1 (figur 1.2). Kravene til dataindsamling til undersøgelse af bevægelser med så mange variationer i tid og rum er krævende og kræver en lang række forskellige prøveudtagningsmetoder. Som beskrevet i kapitel 6 kræver undersøgelser på næsten alle skalaer middelværdiberegning eller filtrering for at fjerne rum- og tidsskalaer, som ikke er af interesse. Det er imidlertid ikke muligt at måle alle rum- og tidsskalaer for at danne perfekte gennemsnit og statistikker. Derfor må observationelle oceanografer forstå fejlkilderne og usikkerheden, som kan skyldes instrumentelle eller prøvetagningsbegrænsninger eller signaler ved forskellige frekvenser og bølgelængder.

F.eks. blev og bliver traditionelle dybdeoceanografiske profiler (afsnit S16.4) lavet fra forskningsskibe for at studere de allerstørste rumlige og tidsmæssige skalaer af havcirkulationen og fordelingen af egenskaber. Disse er fortsat den eneste måde at måle det dybe ocean med høj nøjagtighed på, og den eneste måde at foretage de fleste kemiske målinger på. En dybhavsstation kan tage op til tre timer, og et tværsnit over et hav kan tage op til to måneder, hvilket begrænser fortolkningen. De enkelte, vidt adskilte profiler kan ikke bruges til at studere f.eks. tidevand, interne bølger eller hvirvler, men disse og andre bevægelser på mindre skala påvirker de enkelte stations målinger. Der findes dog nyttige måder at behandle og analysere dataene på, så de kan bruges til at studere de store rum- og tidsskalaer af interesse.

Som et andet eksempel måler satellithøjdemålere (afsnit S16.9.9.9) havets overfladehøjde, idet de passerer over hvert punkt på havets overflade hver eller hver anden uge eller hver anden uge. Overfladehøjden afhænger af flere ting: havets cirkulation, overfladebølger og tidevand, udvidelse og sammentrækning som følge af mere eller mindre varme eller salt i vandet og den ujævne fordeling af massen i den faste jord (variationer i geoiden). Geoidet, som ikke varierer i tid, dominerer det altimetriske signal. Derfor har de tidsafhængige altimetermålinger været meget nyttige, idet de har givet væsentlige oplysninger om den tidsafhængige “mesoskala” (ti til hundrede kilometer) og den storskala tidsafhængighed i havoverfladens højde, som er forbundet med ændringer i storskala-cirkulationen, klimavariationer som El Niño og den globale stigning i havniveauet.

Interpretation af altimetermålingerne i forbindelse med termisk ekspansion kræver oplysninger om temperatur- og saltindholdsstrukturen under overfladen, som en satellit ikke kan se. Derfor kombineres in situ-målinger med altimetermålinger. Da de forskellige datasæt er uoverensstemmende med hensyn til prøveudtagningsfrekvens og placering, giver kombinationen betydelige udfordringer med hensyn til dataanalyse, som senest er blevet løst ved hjælp af dataassimilation (afsnit 6.3.4). Og som et tredje eksempel fra højdemåling betyder de mange dage mellem satellitpassager over et givet sted, at kortere tidsskalaer, f.eks. som følge af tidevand, måles på forskellige tidspunkter i deres cyklus ved hver satellitpassage. Denne “aliasing” giver en falsk lang tidsskala (afsnit 6.5.3). Man er meget omhyggelig ved valget af satellitomløbsfrekvens og ved fortolkningen af dataene for at behandle disse kortere tidsskalaer korrekt og fjerne dem så meget som muligt fra de længere tidsskalaer.

For at vende tilbage til observation af cirkulationen i den største skala fra toppen til bunden af havet, som er det primære fokus i denne tekst, kunne det se ud til, at det ville være den bedste fremgangsmåde at anvende mange instrumenter, der måler strømmene direkte. Faktisk blev der i begyndelsen af det 21. århundrede iværksat et globalt program (Argo, beskrevet i afsnit S16.5.2) til kontinuerlig overvågning af hastigheden i vandsøjlen ved hjælp af relativt billige underjordiske flydere, der følger strømmene under overfladen (for det meste på en enkelt dybde) og rapporterer tilbage til satellitter med regelmæssige intervaller. Dette program har allerede revolutioneret observationen af havets indre, primært på grund af de temperatur- og saltindholdsprofiler, der indsamles ved hver tur til overfladen, og som er blevet standardiseret med ti dages mellemrum; hastighedsdataene er blevet mindre udnyttet. En global udstationering af overflade-drivere opfylder det samme mål ved havets overflade (afsnit S16.5.1). Disse lagrangiske prøvetagningsmetoder for hele havet var ikke mulige før begyndelsen af den globale satellitkommunikation, og det er stadig uoverkommeligt dyrt at instrumentere havet på alle dybder. Strømningsmålere, både mekaniske og akustiske, måler direkte strømmen på et givet sted i flere år; de blev udviklet og anvendt i stor stil efter 1950’erne. Strømningsmålere giver kun oplysninger om vandets hastighed (hastighed og retning) i nærheden af selve instrumentets placering (i tid og rum); erfaringen viser, at der kan forekomme store variationer i hastigheden over små afstande og i små tidsintervaller. På grund af disse rumlige skalaer og på grund af de store udgifter til udsætning af strømmålere har det ikke vist sig at være muligt at foretage omfattende instrumentering af havet. Strømningsmålere anvendes nu primært i veldefinerede strømme med en bredde på højst flere hundrede kilometer eller i specifikke målområder med henblik på at udtage prøver fra alle tidsskalaer (det fulde tidsspektrum) i det pågældende område, undertiden i mange år. Alle de direkte strømningsmålinger af underjordiske strømme har kun givet en lille del af vores observerede viden om havcirkulationen. På den anden side har de, hvor de er blevet anvendt, givet uvurderlige oplysninger; f.eks. til kvantificering af den samlede transport og variationer af stærke, relativt smalle strømme som Golfstrømmen eller Kuroshio.

I mangel af tilstrækkelige direkte målinger af havstrømme anvender oceanografer, der studerer cirkulationen, indirekte metoder. En af de ældste, som stadig er meget almindeligt anvendt, er den geostrofiske eller dynamiske metode, som sætter den horisontale trykfordeling i forbindelse med horisontale strømme (afsnit 7.6). De fleste strømme med tidsskalaer på over et par dage (undtagen ved ækvator) er i geostrofisk balance, som er en balance mellem den horisontale ændring (gradient) i tryk og corioliskraften. Den geostrofiske hastighed er vinkelret på trykgradientens retning som følge af Jordens rotation. Trykfordelingen afhænger af havoverfladens højde og også af den vertikale profil af havvandets massefylde på en given bredde- og længdegrad. Den vigtigste metode til kortlægning af havcirkulationen har derfor været at måle temperatur- og saltindholdsfordelingen i havet. Tæthedsfordelingen beregnes derefter, hvorefter den horisontale trykgradient beregnes på alle dybder ud fra en antagelse om trykgradienten på én dybde (som kan være ved overfladen på grund af overfladens højde). De geostrofiske strømme beregnes derefter.

Det er ikke trivielt at estimere trykgradienten på én dybde, da der generelt mangler observationer af distribuerede hastigheder. (Udstationeringerne af flydefartøjer under overfladen, der begyndte i 1990’erne, blev først motiveret af at tilvejebringe et sådant hastighedsfelt i én dybde). Den traditionelle fremgangsmåde har været at kræve massebevarelse i havområder og derefter at foretage kvalificerede gæt om hastighedsfordelingen i en given dybde, baseret på kortlægning af egenskabsfordelinger i havet. “Inverse metoder” (introduceret, men ikke udviklet i afsnit 6.3.4) formaliserer brugen af begrænsninger baseret på massebevarelse og på egenskabsfordelinger, som påvirkes af opblanding.

Visse vandegenskaber er også iboende sporere af tid (afsnit 3.6 og 4.7). Disse omfatter sporstoffer, der er biologisk aktive og nulstilles på bestemte steder. For eksempel mættes iltindholdet ved kontakt med atmosfæren i overfladelaget og forbruges derefter af bakterier i vandsøjlen, hvilket giver en grov alder for en given vandparcel. Det indbyggede ur for radioaktivt henfald i transiente sporstoffer er mere lovende, da det er uafhængigt af miljøets fysiske og biologiske karakter. Antropogene sporstoffer som f.eks. chlorfluorcarboner (CFC’er) er blevet sprøjtet ind i jordsystemet af menneskeheden. Hvis man kender historien for deres frigivelse i miljøet, som det er tilfældet med CFC’er, er de nyttige sporstoffer for overfladevandets vej ind i det indre ocean.

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.