S16.1 The Impact of Space and Timescales on Sampling and Instrumentation

Luvussa 1 esitettiin yhteenveto fysikaalisten oseanografisten ilmiöiden aika- ja avaruusasteikoista (kuva 1.2). Tiedonkeruuvaatimukset sellaisten liikkeiden tutkimiseksi, joissa on niin paljon aika- ja tilavaihteluita, ovat vaativia, ja ne edellyttävät monenlaisia näytteenottomenetelmiä. Kuten luvussa 6 kuvataan, lähes kaikilla mittakaavoilla tehtävät tutkimukset edellyttävät keskiarvoistamista tai suodattamista, jotta voidaan poistaa kiinnostuksen ulkopuolelle jäävät avaruus- ja aikaskaalat. Kaikkia avaruus- ja aikaskaaloja ei kuitenkaan ole mahdollista mitata täydellisten keskiarvojen ja tilastojen muodostamiseksi. Siksi havainnoivien merentutkijoiden on ymmärrettävä virhelähteet ja epävarmuustekijät, jotka voivat johtua instrumentti- tai näytteenottorajoituksista tai eri taajuuksilla ja aallonpituuksilla esiintyvistä signaaleista.

Esimerkiksi perinteisiä syvänmeren profiileja (jakso S16.4) tehtiin ja tehdään edelleen tutkimusaluksilta käsin, jotta voitaisiin tutkia valtameren kiertokulun ja ominaisuuksien jakaantumisen kaikkein suurimpia alueellisia ja ajallisia skaaloja. Ne ovat edelleen ainoa tapa mitata syviä valtameriä suurella tarkkuudella ja ainoa tapa tehdä useimmat kemialliset mittaukset. Syvän valtameren mittausasema voi kestää jopa kolme tuntia, ja valtameren poikkileikkaus voi kestää jopa kaksi kuukautta, mikä asettaa rajoituksia tulkinnalle. Yksittäisiä, kaukana toisistaan sijaitsevia profiileja ei voida käyttää esimerkiksi vuoroveden, sisäisten aaltojen tai pyörteiden tutkimiseen, mutta nämä ja muut pienemmän mittakaavan liikkeet vaikuttavat yksittäisten asemien mittauksiin. On kuitenkin olemassa käyttökelpoisia tapoja käsitellä ja analysoida tietoja niin, että niitä voidaan käyttää kiinnostavien suurten avaruus- ja aikaskaalojen tutkimiseen.

Toisena esimerkkinä satelliittikorkeusmittarit (kohta S16.9.9) mittaavat valtameren pinnankorkeutta ja kulkevat valtameren pinnan jokaisen pisteen yli viikon tai kahden välein. Pinnan korkeus riippuu useista asioista: valtameren kiertokulusta, pinta-aalloista ja vuorovesistä, paisumisesta ja supistumisesta, joka johtuu siitä, että vedessä on enemmän tai vähemmän lämpöä tai suolaa, sekä massan epätasaisesta jakautumisesta kiinteässä maapallossa (geoidin vaihtelut). Geoidi, joka ei vaihtele ajassa, hallitsee korkeussignaalia. Siksi ajasta riippuvat altimetriamittaukset ovat olleet kaikkein hyödyllisimpiä, sillä ne ovat antaneet merkittävää tietoa merenpinnan korkeuden ajasta riippuvasta ”mesoskaalasta” (kymmenistä satoihin kilometreihin) ja laajamittaisesta aikariippuvuudesta, joka liittyy laajamittaisen verenkierron muutoksiin, ilmaston vaihteluihin, kuten El Niño -ilmiöön, ja globaaliin merenpinnan nousuun.

Lämpölaajenemisen yhteydessä tehtyjen altimetriamittausten tulkinta edellyttää tietoa pinnan alapuolisesta lämpötilasta ja suolapitoisuusrakenteesta, jota satelliitti ei voi nähdä. Siksi in situ -mittaukset yhdistetään altimetriaan. Koska eri tietokokonaisuudet eivät sovi yhteen näytteenottotiheyden ja -paikan suhteen, yhdistäminen aiheuttaa merkittäviä haasteita tietojen analysoinnissa, joihin on vastattu viime aikoina käyttämällä tietojen assimilaatiota (kohta 6.3.4). Kolmantena esimerkkinä altimetriasta mainittakoon, että koska satelliittikierrosten välillä on useita päiviä, esimerkiksi vuoroveden aiheuttamat lyhyemmät aikaskaalat mitataan kullakin satelliittikierroksella eri ajankohtina niiden sykleissä. Tämä ”aliasing” tuottaa väärän pitkän aikaskaalan (kohta 6.5.3). Satelliittien kiertotaajuutta valittaessa ja tietoja tulkittaessa on noudatettava suurta huolellisuutta, jotta näitä lyhyempiä aikaskaaloja voidaan käsitellä asianmukaisesti ja poistaa ne mahdollisimman paljon pidemmistä aikaskaaloista.

Palatakseni suurimman mittakaavan virtausten havainnointiin valtameren yläosasta pohjaan, johon tässä tekstissä keskitytään ensisijaisesti, saattaisi tuntua siltä, että lukuisien laitteiden käyttö, jotka mittaavat virtauksia suoraan, olisi paras lähestymistapa. Kahdeksankymmenennen ensimmäisen vuosisadan alussa aloitettiinkin maailmanlaajuinen ohjelma (Argo, kuvattu kohdassa S16.5.2) vesipatsaan nopeuksien jatkuvaksi seuraamiseksi käyttäen suhteellisen edullisia kellukkeita, jotka seuraavat pinnanalaisia virtauksia (useimmiten yhdessä syvyydessä) ja raportoivat niistä säännöllisin väliajoin satelliiteille. Tämä ohjelma on jo mullistanut valtameren sisäosien havainnoinnin, pääasiassa jokaisella pinnalle suuntautuvalla matkalla kerättyjen lämpötila- ja suolapitoisuusprofiilien vuoksi, jotka on standardoitu kymmenen päivän välein; nopeustietoja on hyödynnetty vähemmän. Samaan tavoitteeseen päästään meren pinnalla, kun pintasiirtolaitteet otetaan käyttöön maailmanlaajuisesti (kohta S16.5.1). Nämä koko valtameren laajuiset Lagrangen näytteenottomenetelmät eivät olleet mahdollisia ennen maailmanlaajuisen satelliittiviestinnän alkamista, ja valtameren mittaaminen kaikissa syvyyksissä on edelleen kohtuuttoman kallista. Sekä mekaaniset että akustiset virtausmittarit mittaavat suoraan virtausta tietyssä pisteessä useiden vuosien ajan; niitä kehitettiin ja käytettiin laajalti 1950-luvun jälkeen. Virtausmittarit antavat tietoa veden nopeudesta (nopeudesta ja suunnasta) vain lähellä laitteen sijaintia (ajassa ja paikassa). Kokemus on osoittanut, että nopeudessa voi esiintyä suuria vaihteluita sekä pienillä etäisyyksillä että pienillä aikaväleillä. Näiden alueellisten mittakaavojen ja virtausmittareiden asentamisesta aiheutuvien suurten kustannusten vuoksi ei ole osoittautunut mahdolliseksi mitata valtamerta laajalti. Virtausmittareita käytetään nykyisin pääasiassa tarkoin määritellyissä virtauksissa, joiden leveys on enintään useita satoja kilometrejä, tai tietyillä kohdealueilla, jotta voidaan ottaa näytteitä kaikista ajallisista asteikoista (koko aikaspektri) kyseisellä alueella, joskus useiden vuosien ajan. Kaikki pinnanalaisten virtausten suorat virtausmittaukset ovat antaneet vain pienen osan havaituista tiedoistamme valtameren kiertokulusta. Toisaalta siellä, missä niitä on käytetty, ne ovat antaneet korvaamatonta tietoa; esimerkiksi Golfvirran tai Kuroshion kaltaisten voimakkaiden, suhteellisen kapeiden virtausten, kuten Golfvirran tai Kuroshion, kokonaiskuljetusten ja -vaihteluiden kvantifioimiseksi.

Meren virtausten suorien mittausten puuttuessa valtamerten kiertoa tutkivat valtameritutkijat käyttävät epäsuoria menetelmiä. Yksi vanhimmista, edelleen hyvin yleisessä käytössä olevista menetelmistä on geostrofinen eli dynaaminen menetelmä, jossa horisontaalinen painejakauma suhteutetaan horisontaalisiin virtauksiin (luku 7.6). Useimmat virtaukset, joiden aikaskaala on suurempi kuin muutama päivä (paitsi päiväntasaajalla), ovat geostrofisessa tasapainossa, joka on paineen horisontaalisen muutoksen (gradientin) ja Coriolis-voiman välinen tasapaino. Geostrofinen nopeus on kohtisuorassa Maan pyörimisestä johtuvan painegradientin suuntaan nähden. Painejakauma riippuu merenpinnan korkeudesta ja myös meriveden tiheyden pystysuuntaisesta profiilista tietyllä leveys- ja pituusasteella. Näin ollen tärkein menetelmä valtameren virtauksen kartoittamiseksi on ollut mitata valtameren lämpötila- ja suolapitoisuusjakaumaa. Tämän jälkeen lasketaan tiheysjakauma, josta lasketaan vaakasuora painegradientti jokaisessa syvyydessä, kun oletetaan painegradientti yhdessä syvyydessä (joka voi olla pinnalla pinnan korkeuden vuoksi). Tämän jälkeen lasketaan geostrofiset virtaukset.

Vaihe, jossa arvioidaan painegradientti yhdessä syvyydessä, ei ole triviaali, kun otetaan huomioon hajautettujen nopeushavaintojen yleinen puute. (1990-luvulla alkaneiden vedenalaisten kellukkeiden käyttöönoton motiivina oli ensin tällaisen nopeuskentän saaminen yhdestä syvyydestä). Perinteinen lähestymistapa on ollut vaatia massan säilymistä valtamerialueilla ja sen jälkeen tehdä valistuneita arvauksia nopeusjakaumasta tietyssä syvyydessä valtameren ominaisuusjakaumien kartoituksen perusteella. ”Käänteiset menetelmät” (jotka esitellään, mutta joita ei kehitetä luvussa 6.3.4) virallistavat massan säilymiseen ja ominaisuuksien jakaumiin perustuvien rajoitusten käytön, joihin sekoittuminen vaikuttaa.

Jotkut veden ominaisuudet ovat myös luontaisia ajan merkkiaineita (luvut 3.6 ja 4.7). Näihin kuuluvat merkkiaineet, jotka ovat biologisesti aktiivisia ja nollautuvat tietyissä paikoissa. Esimerkiksi happipitoisuus kyllästyy kosketuksessa ilmakehän kanssa pintakerroksessa, minkä jälkeen bakteerit kuluttavat sitä vesipatsaassa, jolloin saadaan karkea ikä tietylle vesipalstalle. Ohimenevien merkkiaineiden radioaktiivisen hajoamisen sisäänrakennettu kello on lupaavampi, koska se on riippumaton ympäristön fysikaalisesta ja biologisesta luonteesta. Ihminen on ruiskuttanut maapallojärjestelmään ihmisen toiminnasta peräisin olevia merkkiaineita, kuten kloorifluorihiilivetyjä (CFC-yhdisteitä). Jos niiden ympäristöön päästämisen historia tunnetaan, kuten CFC-yhdisteiden tapauksessa, ne ovat käyttökelpoisia merkkiaineita, jotka kuvaavat valtamerten pintavesien kulkureittejä niiden siirtyessä valtameren sisäosiin.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.