S16.1 A tér- és időskálák hatása a mintavételre és a műszerezésre

A fizikai oceanográfiai jelenségek idő- és térskáláit az 1. fejezetben foglaltuk össze (1.2. ábra). Az ilyen sok időbeli és térbeli változást mutató mozgások vizsgálatához szükséges adatgyűjtési követelmények igényesek, ami a mintavételi módszerek széles skáláját igényli. A 6. fejezetben leírtak szerint a szinte minden skálán végzett vizsgálatok átlagolást vagy szűrést igényelnek az érdektelen tér- és időskálák eltávolítása érdekében. Nem lehet azonban minden tér- és időskálát mérni, hogy tökéletes átlagokat és statisztikákat lehessen képezni. Ezért a megfigyelő óceánkutatóknak meg kell érteniük a hiba és a bizonytalanság forrásait, amelyek a műszeres vagy mintavételi korlátozásokból, illetve a különböző frekvenciájú és hullámhosszú jelekből adódhatnak.

Például a hagyományos mélytengeri oceanográfiai profilokat (S16.4 szakasz) kutatóhajókról készítették és készítik ma is az óceáni cirkuláció és a tulajdonságeloszlások nagyon nagy tér- és időskáláinak tanulmányozására. Ezek továbbra is az egyetlen módja a mély óceán nagy pontosságú mérésének, és az egyetlen módja a legtöbb kémiai mérés elvégzésének. Egy mélytengeri oceanográfiai állomás akár három órát is igénybe vehet, egy óceánon átívelő keresztmetszet pedig akár két hónapig is eltarthat, ami korlátokat szab az értelmezésnek. Az egyes, egymástól távol eső profilok nem használhatók például az árapály, a belső hullámok vagy az örvények tanulmányozására, de ezek és más, kisebb léptékű mozgások befolyásolják az egyes állomások méréseit. Vannak azonban hasznos módszerek az adatok feldolgozására és elemzésére, hogy azok felhasználhatók legyenek az érdeklődésre számot tartó nagy tér- és időskálák tanulmányozására.

Második példaként a műholdas magasságmérők (S16.9.9. szakasz) az óceán felszínének magasságát mérik, az óceán felszínének minden egyes pontja felett hetente vagy kéthetente elhaladva. A felszínmagasság több dologtól függ: az óceáni keringéstől, a felszíni hullámoktól és az árapályoktól, a vízben lévő több vagy kevesebb hő vagy só miatti tágulástól és zsugorodástól, valamint a tömeg egyenetlen eloszlásától a szilárd földben (a geoid változásaitól). A geoid, amely időben nem változik, uralja a magassági jelet. Ezért az időfüggő altimetriás mérések a leghasznosabbak, mivel jelentős információt szolgáltatnak a tengerfelszín magasságának időfüggő “mezoszintű” (több tíz-száz kilométeres) és nagyléptékű időfüggéséről, amely összefügg a nagyléptékű cirkuláció változásaival, az éghajlati változékonysággal, mint például az El Niño, és a globális tengerszint emelkedésével.

Az altimetriás mérések értelmezéséhez a hőtágulás jelenlétében a felszín alatti hőmérséklet és sótartalom szerkezetéről szükséges információ, amelyet a műhold nem lát. Ezért az in situ méréseket kombinálják az altimetriával. Mivel a különböző adatkészletek nem illeszkednek egymáshoz a mintavételi gyakoriság és a mintavételi hely tekintetében, a kombináció jelentős adatelemzési kihívásokat jelent, amelyeket legutóbb az adatasszimiláció alkalmazásával kezeltek (6.3.4. szakasz). A magasságmérésből vett harmadik példa pedig az, hogy a műholdak egy adott hely feletti áthaladása között eltelt több nap azt jelenti, hogy a rövidebb időskálák, például az árapályok miatt, minden egyes műhold áthaladásakor a ciklusuk különböző időpontjaiban mérhetők. Ez az “aliasing” hamis hosszú időskálát eredményez (6.5.3. szakasz). A műholdak keringési frekvenciájának megválasztásakor és az adatok értelmezésekor nagy gondot fordítunk arra, hogy ezeket a rövidebb időskálákat megfelelően kezeljük, és a lehető legnagyobb mértékben eltávolítsuk őket a hosszabb időskálákból.

Visszatérve az óceán tetejétől az aljáig terjedő legnagyobb léptékű cirkuláció megfigyelésére, amely e szöveg elsődleges témája, úgy tűnhet, hogy számos, az áramlásokat közvetlenül mérő műszer alkalmazása lenne a legjobb megközelítés. A XXI. század elején valóban elindult egy globális program (az S16.5.2. szakaszban ismertetett Argo) a vízoszlopon belüli sebesség folyamatos megfigyelésére, amely viszonylag olcsó felszín alatti úszókat használ, amelyek a felszín alatti áramlásokat követik (többnyire egyetlen mélységben), és rendszeres időközönként jelentést tesznek a műholdaknak. Ez a program már forradalmasította az óceán belsejének megfigyelését, elsősorban a minden egyes felszíni út során gyűjtött hőmérséklet- és sótartalomprofilok miatt, amelyeket tíznapos időközönként szabványosítottak; a sebességadatokat kevésbé hasznosították. A felszíni drifterek globális telepítése ugyanezt a célt szolgálja a tenger felszínén (S16.5.1. szakasz). Ezek az egész óceánra kiterjedő Lagrange-féle mintavételi módszerek a globális műholdas kommunikáció kezdete előtt nem voltak lehetségesek, és még mindig megfizethetetlenül drága az óceán minden mélységben történő mérése. A mechanikus és akusztikus áramlásmérők közvetlenül mérik az áramlást egy adott ponton több éven keresztül; ezeket az 1950-es évek után fejlesztették ki és vetették be széles körben. Az áramlásmérők a víz sebességéről (sebességéről és irányáról) csak magának a műszernek a (térbeli és időbeli) helyéhez közel adnak információt; a tapasztalatok azt mutatják, hogy a sebességben kis távolságokon és kis időintervallumokban is nagy eltérések fordulhatnak elő. E térbeli méretarányok és az áramlásmérők telepítésének magas költségei miatt nem bizonyult lehetségesnek az óceán széles körű mérése. Az áramlásmérőket jelenleg elsősorban jól körülhatárolt, legfeljebb néhány száz kilométer szélességű áramlatokban, vagy meghatározott célterületeken használják, hogy az adott területen az összes időbeli skálát (a teljes időspektrumot) mintavételezzék, néha több éven keresztül. A felszín alatti áramlatok összes közvetlen áramlásmérése az óceáni cirkulációról szerzett megfigyelt ismereteinknek csak egy kis részét adta. Másfelől, ahol felhasználták őket, ott felbecsülhetetlen értékű információkkal szolgáltak; például az olyan erős, viszonylag keskeny áramlatok, mint a Golf-áramlat vagy a Kuroshio teljes szállításának és változásainak számszerűsítésében.

Az óceáni áramlatok elegendő közvetlen mérésének hiányában a cirkulációt vizsgáló oceanográfusok közvetett módszereket alkalmaznak. Az egyik legrégebbi, továbbra is igen elterjedten használt módszer a geostrofikus vagy dinamikus módszer, amely a vízszintes nyomáseloszlást hozza összefüggésbe a vízszintes áramlatokkal (7.6. szakasz). A legtöbb, néhány napnál nagyobb időskálájú áramlás (kivéve az Egyenlítőnél) geostrofikus egyensúlyban van, ami a nyomás vízszintes változása (gradiens) és a Coriolis-erő közötti egyensúlyt jelenti. A geostrofikus sebesség merőleges a Föld forgása miatti nyomásgradiens irányára. A nyomáseloszlás függ a tengerfelszín magasságától, valamint a tengervíz sűrűségének függőleges profiljától egy adott szélességi és hosszúsági fokon. Így az óceáni cirkuláció feltérképezésének fő módszere az óceán hőmérséklet- és sótartalom-eloszlásának mérése volt. Ezután kiszámítják a sűrűségeloszlást, amelyből kiszámítják a vízszintes nyomásgradienst minden mélységben, az egy mélységben (amely a felszín magassága miatt lehet a felszínen is) lévő nyomásgradiens feltételezése mellett. Ezután kiszámítják a geostrofikus áramlatokat.

A nyomásgradiens egy mélységben történő becslésének lépése nem triviális, tekintettel az eloszló sebességmegfigyelések általános hiányára. (Az 1990-es években kezdődő felszín alatti úszók telepítését először az motiválta, hogy egy ilyen sebességmezőt biztosítsanak egy mélységben.) A hagyományos megközelítés az óceáni régiókon belüli tömegmegmaradást követeli meg, majd az óceánon belüli tulajdonságeloszlások feltérképezése alapján megalapozott becsléseket tesz egy adott mélységben a sebességeloszlásra vonatkozóan. Az “inverz módszerek” (amelyeket a 6.3.4. szakaszban mutattak be, de nem fejlesztettek ki) formalizálják a tömegmegőrzésen és a keveredés által befolyásolt tulajdonságeloszlásokon alapuló megkötések használatát.

A víz egyes tulajdonságai az idő eredendő nyomjelzői is (3.6. és 4.7. szakaszok). Ezek közé tartoznak a biológiailag aktív és meghatározott helyeken visszaállt nyomjelzők. Például az oxigéntartalom a légkörrel való érintkezés révén telítődik a felszíni rétegben, majd a vízoszlopon belül baktériumok fogyasztják el, ami egy adott vízparcella durva korát adja. A radioaktív bomlás beépített órája a tranziens nyomjelzőkben ígéretesebb, mivel független a környezet fizikai és biológiai jellegétől. Az emberiség olyan antropogén nyomjelzőket juttatott a földi rendszerbe, mint a fluorozott-klórozott szénhidrogének (CFC-k). Ha ismerjük a környezetbe való kibocsátásuk történetét, mint a CFC-k esetében, akkor hasznos nyomjelzők lehetnek a felszíni óceáni vizek által bejárt utakra, ahogyan azok az óceán belsejébe áramlanak.

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé.