S16.1 Rymd- och tidsskalornas inverkan på provtagning och instrumentering

Tids- och rumsskalorna för fysiska oceanografiska fenomen sammanfattades i kapitel 1 (figur 1.2). Kraven på datainsamling för att studera rörelser med så många variationer i tid och rum är krävande och kräver en mängd olika provtagningsmetoder. Som beskrivs i kapitel 6 kräver studier på nästan alla skalor medelvärdesbildning eller filtrering för att ta bort rymd- och tidsskalor som inte är av intresse. Det är dock inte möjligt att mäta alla rum och tidsskalor för att bilda perfekta medelvärden och perfekt statistik. Därför måste observationsoceanografer förstå fel- och osäkerhetskällorna, som kan bero på instrument- eller provtagningsbegränsningar eller på signaler vid olika frekvenser och våglängder.

Till exempel gjordes och görs fortfarande traditionella djuphavsprofiler (avsnitt S16.4) från forskningsfartyg för att studera de allra största rumsliga och tidsmässiga skalorna för havets cirkulation och fördelning av egenskaper. Dessa förblir det enda sättet att mäta djuphavet med hög noggrannhet och det enda sättet att göra de flesta kemiska mätningar. En djuphavsstation kan ta upp till tre timmar och ett tvärsnitt över ett hav kan ta upp till två månader, vilket innebär begränsningar för tolkningen. De enskilda, vitt skilda profilerna kan inte användas för att studera t.ex. tidvatten, inre vågor eller virvlar, men dessa och andra rörelser i mindre skala påverkar de enskilda stationernas mätningar. Det finns dock användbara sätt att bearbeta och analysera data så att de kan användas för att studera de stora rymd- och tidsskalor som är av intresse.

Som ett andra exempel kan nämnas att satellithöjdmätare (avsnitt S16.9.9.9) mäter höjden på havets yta och passerar över varje punkt på havsytan varannan eller varannan vecka. Ythöjden beror på flera saker: havets cirkulation, ytvågor och tidvatten, expansion och sammandragning på grund av mer eller mindre värme eller salt i vattnet och den ojämna fördelningen av massan i den fasta jorden (variationer i geoiden). Geoiden, som inte varierar i tiden, dominerar den altimetriska signalen. Därför har de tidsberoende altimetriska mätningarna varit mest användbara och gett viktig information om det tidsberoende ”mesoskaliga” (tiotals till hundratals kilometer) och storskaliga tidsberoendet i havsytans höjd, vilket är förknippat med förändringar i den storskaliga cirkulationen, klimatvariationer som El Niño och den globala höjningen av havsytan.

För att kunna tolka de altimetriska mätningarna vid förekomsten av värmeexpansion krävs information om temperatur- och salthaltsstrukturen under ytan, vilket en satellit inte kan se. Därför kombineras in situ-mätningar med altimetri. Eftersom de olika datamängderna är missanpassade i fråga om provtagningsfrekvens och plats innebär kombinationen betydande utmaningar i fråga om dataanalys, som senast har hanterats genom användning av dataassimilering (avsnitt 6.3.4). Som ett tredje exempel från altimetri kan nämnas att de många dagar som går mellan satellitpassagerna över en viss plats innebär att kortare tidsskalor, till exempel på grund av tidvatten, mäts vid olika tidpunkter i cyklerna vid varje satellitpassage. Denna ”aliasing” ger en falsk lång tidsskala (avsnitt 6.5.3). Stor försiktighet iakttas vid valet av satelliternas omloppsfrekvens och vid tolkningen av data för att på ett korrekt sätt hantera dessa kortare tidsskalor, för att i möjligaste mån avlägsna dem från de längre tidsskalorna.

För att återgå till att observera cirkulationen i den största skalan från havets topp till botten, vilket är det primära fokuset i den här texten, kan det tyckas att det bästa tillvägagångssättet skulle vara att använda ett stort antal instrument som mäter strömmarna direkt. I början av det tjugoförsta århundradet inleddes faktiskt ett globalt program (Argo, som beskrivs i avsnitt S16.5.2) för att kontinuerligt övervaka hastigheten i vattenpelaren med hjälp av relativt billiga undervattensflottare som följer strömmarna under ytan (mestadels på ett enda djup) och rapporterar till satelliter med jämna mellanrum. Detta program har redan revolutionerat observationen av havets inre, främst på grund av de temperatur- och salthaltsprofiler som samlas in vid varje resa till ytan, vilket har standardiserats med tio dagars mellanrum; hastighetsdata har utnyttjats mindre. Med en global utplacering av ytliga drifter kan man uppnå samma mål vid havsytan (avsnitt S16.5.1). Dessa lagrangiska provtagningsmetoder för hela havet var inte möjliga innan den globala satellitkommunikationen började, och det är fortfarande oöverkomligt dyrt att instrumentera havet på alla djup. Strömningsmätare, både mekaniska och akustiska, mäter direkt flödet vid en viss punkt under flera år. De utvecklades och användes i stor omfattning efter 1950-talet. Strömningsmätare ger information om vattnets hastighet (hastighet och riktning) endast i närheten av den plats (i tid och rum) där själva instrumentet befinner sig. Erfarenheten visar att stora variationer i hastigheten kan förekomma över små avstånd och under små tidsintervall. På grund av dessa rumsliga skalor och på grund av de höga kostnaderna för utplacering av strömningsmätare har det inte visat sig vara möjligt att instrumentera havet i stor omfattning. Strömningsmätare används nu främst i väldefinierade strömmar som inte är mer än flera hundra kilometer breda, eller i specifika målområden för att ta prover från alla tidsskalor (hela tidsspektrumet) i det området, ibland under många år. Alla direkta strömningsmätningar av underjordiska strömmar har bara gett en liten del av vår observerade kunskap om havets cirkulation. Å andra sidan ger de, där de har använts, ovärderlig information; till exempel kvantifiering av den totala transporten och variationerna hos starka, relativt smala strömmar som Golfströmmen eller Kuroshio.

I avsaknad av tillräckliga direkta mätningar av havsströmmar använder oceanografer som studerar cirkulationen indirekta metoder. En av de äldsta, som fortfarande används mycket ofta, är den geostrofiska eller dynamiska metoden, som relaterar den horisontella tryckfördelningen till horisontella strömmar (avsnitt 7.6). De flesta strömmar med tidsskalor större än några dagar (utom vid ekvatorn) befinner sig i geostrofisk balans, vilket är en balans mellan den horisontella tryckförändringen (gradienten) och Corioliskraften. Den geostrofiska hastigheten är vinkelrät mot tryckgradientens riktning på grund av jordens rotation. Tryckfördelningen beror på havsytans höjd och även på den vertikala profilen av havsvattnets densitet vid en given latitud och longitud. Den viktigaste metoden för att kartlägga cirkulationen i havet har därför varit att mäta temperatur- och salthaltsfördelningen i havet. Densitetsfördelningen beräknas sedan, varifrån den horisontella tryckgradienten beräknas på varje djup, med ett antagande om tryckgradienten på ett djup (som kan vara vid ytan, på grund av ytans höjd). De geostrofiska strömmarna beräknas sedan.

Stappet att uppskatta tryckgradienten på ett djup är inte trivialt, med tanke på den allmänna bristen på observationer av distribuerade hastigheter. (Utplaceringarna av flottörer under ytan med början på 1990-talet motiverades först av att tillhandahålla ett sådant hastighetsfält på ett djup). Det traditionella tillvägagångssättet har varit att kräva masskonservering inom havsområden och sedan göra kvalificerade gissningar om hastighetsfördelningen på ett visst djup, baserat på kartläggning av egenskapsfördelningar inom havet. ”Inversa metoder” (som introduceras men inte utvecklas i avsnitt 6.3.4) formaliserar användningen av begränsningar baserade på massbevarande och på egenskapsfördelningar, som påverkas av blandning.

Vissa vattenegenskaper är också inneboende spårare av tid (avsnitten 3.6 och 4.7). Dessa inkluderar spårämnen som är biologiskt aktiva och som återställs på specifika platser. Syrehalten mättas till exempel genom kontakt med atmosfären i ytskiktet och förbrukas sedan av bakterier i vattenpelaren, vilket ger en grov ålder för ett visst vattenparti. Den inbyggda klockan för radioaktivt sönderfall i transienta spårämnen är mer lovande, eftersom den är oberoende av miljöns fysiska och biologiska karaktär. Antropogena spårämnen som t.ex. klorfluorkarboner (CFC) har sprutats in i jordsystemet av mänskligheten. Om man vet hur de släpps ut i miljön, vilket är fallet med CFC, är de användbara spårämnen för att mäta hur ytvattnet i havet rör sig in i det inre havet.

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.