S16.1 Impactul spațiului și al scărilor temporale asupra eșantionării și instrumentării

Scalele temporale și spațiale ale fenomenelor oceanografice fizice au fost rezumate în capitolul 1 (figura 1.2). Cerințele de colectare a datelor pentru studierea mișcărilor cu atât de multe variații temporale și spațiale sunt exigente, necesitând o mare varietate de metode de eșantionare. Așa cum este descris în capitolul 6, studiile la aproape toate scările necesită calcularea mediei sau filtrarea pentru a elimina scările spațiale și temporale care nu prezintă interes. Cu toate acestea, nu este posibil să se măsoare fiecare scală spațială și temporală, pentru a forma medii și statistici perfecte. Prin urmare, oceanografii de observație trebuie să înțeleagă sursele de eroare și incertitudine, care se pot datora limitărilor instrumentale sau de eșantionare, sau semnalelor la diferite frecvențe și lungimi de undă.

De exemplu, profilurile oceanografice tradiționale de adâncime (secțiunea S16.4) au fost și continuă să fie realizate de pe nave de cercetare pentru a studia cele mai mari scări spațiale și temporale ale circulației oceanice și ale distribuției proprietăților. Acestea rămân singura modalitate de a măsura oceanul de adâncime cu o precizie ridicată și singura modalitate de a face majoritatea măsurătorilor chimice. O stație oceanografică de adâncime poate dura până la trei ore, iar o secțiune transversală a unui ocean poate dura până la două luni, ceea ce reprezintă limitări în ceea ce privește interpretarea. Profilurile individuale, foarte îndepărtate, nu pot fi folosite pentru a studia mareele, valurile interne sau vârtejurile, de exemplu, dar acestea și alte mișcări la scară mai mică afectează măsurătorile stațiilor individuale. Cu toate acestea, există modalități utile de procesare și analiză a datelor, astfel încât acestea să poată fi folosite pentru a studia spațiile și scările temporale mari de interes.

Ca un al doilea exemplu, altimetrele prin satelit (Secțiunea S16.9.9) măsoară înălțimea suprafeței oceanului, trecând peste fiecare punct de pe suprafața oceanului la fiecare săptămână sau două. Înălțimea suprafeței depinde de mai multe lucruri: circulația oceanului, valurile de suprafață și mareele, expansiunea și contracția datorate mai mult sau mai puțin căldurii sau sării din apă și distribuția inegală a masei în solidul terestru (variații ale geoidului). Geoidul, care nu variază în timp, domină semnalul altimetric. Prin urmare, măsurătorile altimetrice dependente de timp au fost cele mai utile, furnizând informații semnificative despre „mezoscala” dependentă de timp (zeci până la sute de kilometri) și despre dependența în timp la scară largă a înălțimii suprafeței mării, care este asociată cu schimbările în circulația la scară largă, cu variabilitatea climatică, cum ar fi El Niño, și cu creșterea globală a nivelului mării.

Interpretarea măsurătorilor altimetrice în prezența expansiunii termice necesită informații despre structura temperaturii și salinității de sub suprafață, pe care un satelit nu le poate vedea. Prin urmare, măsurătorile in situ sunt combinate cu altimetria. Deoarece diferitele seturi de date sunt nepotrivite în ceea ce privește frecvența de eșantionare și locația, combinația ridică provocări semnificative în ceea ce privește analiza datelor, rezolvate cel mai recent prin utilizarea asimilării datelor (secțiunea 6.3.4). Și, ca un al treilea exemplu extras din altimetrie, faptul că între două treceri ale satelitului peste o anumită locație trec multe zile înseamnă că intervalele de timp mai scurte, datorate, de exemplu, mareelor, sunt măsurate în momente diferite ale ciclurilor lor la fiecare trecere a satelitului. Acest „aliasing” produce o scară de timp lungă falsă (secțiunea 6.5.3). Se acordă o mare atenție în alegerea frecvenței orbitale a sateliților și în interpretarea datelor pentru a trata în mod corespunzător aceste scări de timp mai scurte, pentru a le elimina cât mai mult posibil din scările de timp mai lungi.

Întorcându-ne la observarea circulației la scară mai mare, de la partea superioară la cea inferioară a oceanului, care este obiectivul principal al acestui text, s-ar putea părea că utilizarea a numeroase instrumente care măsoară direct curenții ar fi cea mai bună abordare. Într-adevăr, la începutul secolului XXI a fost inițiat un program global (Argo, descris în secțiunea S16.5.2) de monitorizare continuă a vitezei în coloana de apă, cu ajutorul unor plutitoare de subsol relativ ieftine care urmăresc curenții de subsol (de cele mai multe ori la o singură adâncime) și raportează către sateliți la intervale regulate. Acest program a revoluționat deja observarea interiorului oceanului, în primul rând datorită profilelor de temperatură și salinitate colectate la fiecare deplasare la suprafață, care au fost standardizate la intervale de zece zile; datele privind viteza au fost mai puțin utilizate. O desfășurare globală de plutitoare în derivă la suprafață realizează același obiectiv la suprafața mării (secțiunea S16.5.1). Aceste metode de eșantionare lagrangiană la nivelul întregului ocean nu au fost posibile înainte de începerea comunicațiilor globale prin satelit și este încă prohibitiv de costisitor să instrumentăm oceanul la toate adâncimile. Curentometrele, atât mecanice, cât și acustice, măsoară direct debitul într-un anumit punct timp de mai mulți ani; acestea au fost dezvoltate și utilizate pe scară largă după anii 1950. Curentometrele oferă informații cu privire la viteza (viteza și direcția) apei numai în apropierea locației (în timp și spațiu) a instrumentului propriu-zis; experiența indică faptul că pot apărea variații mari ale vitezei pe distanțe mici, precum și în intervale de timp mici. Din cauza acestor scări spațiale și din cauza costurilor ridicate ale instalării aparatelor de măsură a curentului, nu s-a dovedit a fi posibilă o instrumentare la scară largă a oceanului. În prezent, contoarele de curent sunt utilizate în principal în curenți bine definiți, cu o lățime de cel mult câteva sute de kilometri, sau în zone țintă specifice pentru a eșantiona toate scările temporale (întregul spectru temporal) din zona respectivă, uneori timp de mai mulți ani. Toate măsurătorile curente directe ale curenților de subsuprafață au furnizat doar o mică parte din cunoștințele noastre observate despre circulația oceanică. Pe de altă parte, acolo unde au fost folosite, acestea furnizează informații neprețuite; de exemplu, cuantificarea transportului total și a variațiilor curenților puternici, relativ înguste, cum ar fi Curentul Golfului sau Kuroshio.

În absența unor măsurători directe suficiente ale curenților oceanici, oceanografii care studiază circulația folosesc metode indirecte. Una dintre cele mai vechi, rămasă în uz foarte comun, este metoda geostrofică sau dinamică, care pune în relație distribuția presiunii orizontale cu curenții orizontali (secțiunea 7.6). Majoritatea curenților cu scări temporale mai mari de câteva zile (cu excepția celor de la ecuator) se află în echilibru geostrofic, care este un echilibru între modificarea orizontală (gradient) a presiunii și forța Coriolis. Viteza geostrofică este perpendiculară pe direcția gradientului de presiune datorat rotației Pământului. Distribuția presiunii depinde de înălțimea suprafeței mării și, de asemenea, de profilul vertical al densității apei de mare la o anumită latitudine și longitudine. Prin urmare, principala metodă de cartografiere a circulației oceanice a fost măsurarea distribuției temperaturii și salinității oceanului. Se calculează apoi distribuția densității, din care se calculează gradientul orizontal de presiune la fiecare adâncime, pornind de la ipoteza gradientului de presiune la o anumită adâncime (care ar putea fi la suprafață, din cauza înălțimii la suprafață). Curenții geostrofici sunt apoi calculați.

Etapa de estimare a gradientului de presiune la o adâncime nu este trivială, având în vedere lipsa generală de observații ale vitezei distribuite. (Desfășurările de flotoare de subsuprafață care au început în anii 1990 au fost motivate în primul rând de furnizarea unui astfel de câmp de viteze la o adâncime). Abordarea tradițională a fost aceea de a solicita conservarea masei în cadrul regiunilor oceanice și apoi de a face presupuneri educate cu privire la distribuția vitezei la o anumită adâncime, pe baza cartografierii distribuțiilor proprietăților în cadrul oceanului. „Metodele inverse” (introduse, dar nedezvoltate în secțiunea 6.3.4) formalizează utilizarea constrângerilor bazate pe conservarea masei și pe distribuțiile proprietăților, care sunt afectate de amestecare.

Câteva proprietăți ale apei sunt, de asemenea, trasoare inerente ale timpului (secțiunile 3.6 și 4.7). Acestea includ trasori care sunt biologic activi și care sunt resetați în locații specifice. De exemplu, conținutul de oxigen este saturat prin contactul cu atmosfera în stratul de suprafață și este apoi consumat de bacteriile din coloana de apă, obținându-se o vârstă aproximativă pentru o anumită parcelă de apă. Ceasul încorporat al dezintegrării radioactive în trasoarele tranzitorii este mai promițător, deoarece este independent de caracterul fizic și biologic al mediului. Tracesorii antropogeni, cum ar fi clorofluorocarburile (CFC), au fost injectați în sistemul terestru de către omenire. Dacă se cunoaște istoricul eliberării lor în mediul înconjurător, așa cum este cazul CFC-urilor, atunci aceștia sunt trasori utili ai traseelor parcurse de apele oceanice de suprafață în timp ce se deplasează în interiorul oceanului.

.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată.